超声喷涂技术制备TiO₂电子传输层 - TiO₂介孔层 - 驰飞超声波

超声喷涂技术制备TiO₂电子传输层

超声喷涂技术制备TiO₂电子传输层（ETL）时，需兼顾其光电性能（高电子迁移率、低缺陷态）与薄膜质量（均匀性、致密度、与基底附着力），尤其适用于钙钛矿太阳能电池、染料敏化电池等器件。以下是关键技术要点：

一、TiO₂前驱体溶液的精准配制

前驱体溶液的稳定性与化学特性直接影响TiO₂的结晶性与电子传输能力，需重点调控：

1. 钛源与溶剂选择
– 钛源：常用钛酸四丁酯（TBOT）、钛酸四异丙酯（TTIP）或无机钛盐（如硝酸氧钛），其中TBOT因水解可控性强为优选；
– 溶剂体系：采用醇类混合溶剂（如乙醇:异丙醇=3:1体积比），添加5–10 vol%乙酸（延缓水解，避免过快生成TiO₂颗粒），或少量去离子水（0.5–1 vol%，促进适度水解形成溶胶）。

2. 溶液参数优化
– 浓度：钛源浓度控制在 0.05–0.3 mol/L（过低导致薄膜不连续，过高易堵塞喷头或形成厚膜裂纹）；
– 粘度与pH：粘度需在 2–10 mPa·s（通过溶剂比例调节），pH调至 2–4（用稀盐酸或硝酸，抑制过度水解团聚）；
– 稳定性处理：溶液配制后需磁力搅拌30分钟，静置老化2–4小时（形成稳定溶胶），使用前经0.22 μm滤头过滤（去除未溶物）。

二、基底预处理与适配性

TiO₂电子传输层需与基底（如FTO、ITO玻璃或柔性导电基底）形成良好欧姆接触，预处理需满足：

1. 通用清洁流程
– 依次用中性洗涤剂、去离子水、丙酮、乙醇各超声清洗15分钟（功率≤100 W），氮气吹干；
– 基底为导电玻璃（FTO/ITO）时，额外进行 UV-臭氧处理20分钟或氧气等离子体刻蚀（50 W，3分钟），去除表面有机物，暴露活性位点（如FTO表面的Sn⁴⁺）。

2. 特殊基底处理
– 柔性基底（如ITO/PET）：避免高温处理，预处理温度≤60°C，等离子体功率降至30 W（防止基底变形）；
– 多孔基底（如TiO₂介孔层）：需预先干燥（80°C，10分钟），确保孔道无水分，避免影响前驱体渗透。

三、超声喷涂核心参数调控

通过参数协同实现TiO₂薄膜的均匀沉积与可控厚度（通常20–100 nm，致密层需求）：

1. 雾化与沉积参数
– 超声频率：选用 40–60 kHz（低频利于溶胶分散，避免团聚，形成均匀涂层）；
– 功率与流量：功率 3–6 W，溶液流量 0.2–0.8 mL/min（实验室规模，基底10×10 cm²），功率过高铁源易水解过快，导致涂层粗糙；
– 喷头配置：喷头与基底间距 4–6 cm，移动速度 5–15 mm/s，载气（氮气）压力 0.05–0.1 MPa（气流需稳定，避免雾流紊乱导致的厚度波动）。

2. 多层沉积策略
– 采用 “薄涂多次”（3–5次），每次涂布后室温干燥1分钟，再进行下一次，总厚度通过次数精准控制（单次厚度5–20 nm）；
– 层间可轻微加热（40–60°C，30秒）促进溶剂挥发，避免层间混合导致的成分不均。

四、后处理与结晶调控

TiO₂需经退火形成锐钛矿相（电子迁移率最高），工艺需匹配基底耐温性：

1. 退火工艺
– 刚性基底（玻璃）：
分步退火：100°C（10分钟，去除残留溶剂）→ 450–500°C（30分钟，诱导锐钛矿结晶），升温速率5°C/min；
– 柔性基底（PET/PI）：
低温结晶：120–150°C（60分钟）+ 紫外光照射（λ=365 nm，功率100 mW/cm²，30分钟），通过光催化辅助结晶（替代高温）。

2. 结晶质量提升
– 退火氛围：空气或氧气氛围（促进Ti⁴⁺稳定，减少氧空位缺陷）；
– 添加剂辅助：前驱体中添加0.1–0.5 mol%的Zn²⁺或Nb⁵⁺离子（如硝酸锌、硝酸铌），可细化晶粒（尺寸5–20 nm），提升电子迁移率（＞1 cm²/(V·s)）。

五、性能验证指标

– 形貌：SEM观察薄膜连续无针孔，AFM检测粗糙度Ra＜5 nm；
– 结晶性：XRD在2θ=25.3°（锐钛矿(101)晶面）有强衍射峰，无金红石相（27.4°）；
– 光电性能：暗态电导率＞10⁻⁴ S/cm，光致发光淬灭效率＞90%（与钙钛矿层匹配时）。

超声喷涂制备TiO₂电子传输层的核心是 “前驱体稳定性-雾化均匀性-结晶可控性”的协同：通过优化溶胶配方抑制过度水解，调控超声参数实现均匀沉积，结合基底适配的退火工艺诱导锐钛矿相形成。该技术适用于大面积器件制备，关键在于平衡薄膜致密度与电子传输性能，同时通过掺杂与氛围控制减少缺陷，提升器件整体效率。