扫描脉冲光纤激光沉积技术优化等离子体Al/TiO2薄膜特性及其在钙钛矿太阳能电池中的应用

研究人员通过扫描脉冲光纤激光沉积（PLD）技术，优化了Al/TiO2等离子体薄膜的结构、光学及形貌特性，解决了钙钛矿太阳能电池（PSC）中电子传输层（ETL）性能不足的问题。结果表明，调控激光参数可精确控制薄膜结晶度（最小晶粒尺寸19.8 nm）、光吸收（红移至316 nm）及表面粗糙度，为高效PSC开发提供了新策略。

　　

在可再生能源领域，钙钛矿太阳能电池（PSC）因其高效率和低成本成为研究热点，但其电子传输层（ETL）的性能瓶颈制约了进一步发展。传统TiO₂基ETL存在电荷复合率高、光吸收不足等问题。为此，研究人员利用扫描脉冲光纤激光沉积（PLD）技术，通过调控Al/TiO₂等离子体薄膜的纳米结构，显著提升了ETL的性能。

研究团队采用波长1064 nm、脉宽81 ns的脉冲光纤激光，在氟掺杂氧化锡（FTO）基底上沉积Al/TiO₂薄膜，系统考察了激光功率（2-10 W）和重复频率（20-60 kHz）对薄膜特性的影响。通过X射线衍射（XRD）、紫外-可见光谱（UV-Vis）、场发射扫描电镜（FE-SEM）和原子力显微镜（AFM）等多维度表征，揭示了薄膜结构与性能的关联性。

结构分析
XRD显示薄膜为锐钛矿/金红石混相，2 W-40 kHz条件下晶粒尺寸最小（19.8 nm）。激光功率升高导致晶格畸变，10 W时晶粒尺寸增至22.4 nm，表明低功率更利于纳米晶形成。

光学特性
UV-Vis谱显示，10 W-20 kHz薄膜的吸收峰红移至316 nm（2 W时为307 nm），且40 kHz以上出现新峰（341 nm），证实等离子体共振（LSPR）效应可拓宽光响应范围。

形貌调控
FE-SEM显示功率增加使Al/TiO₂纳米颗粒分布更均匀，尺寸减小。AFM证实0.8 W为获得低粗糙度（Ra=1.2 nm）和398.8 nm理想厚度的阈值条件。

结论与意义
该研究首次将脉冲光纤激光PLD技术应用于Al/TiO₂等离子体ETL制备，通过参数优化实现了对薄膜结晶度、光吸收和界面特性的精准调控。10 W-20 kHz条件下制备的薄膜兼具窄带隙（红移至316 nm）和高载流子迁移率，为PSC效率提升提供了新思路。相比传统贵金属（Au/Ag）等离子体材料，低成本Al的引入更具产业化潜力。论文发表于《Optik》，为光伏器件界面工程提供了普适性技术参考。