前沿科技赋能传统能源与新能源教学：化学浴沉积法制备二氧化锡电子传输层

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.240276

摘要/Abstract

摘要：

以钙钛矿太阳能电池为切入点，针对传统能源与新能源课程中电子传输层材料的教学内容，将化学浴沉积法（CBD）制备二氧化锡电子传输层这一前沿成果融入教学实践。采用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和荧光光谱（PL）等手段对CBD法制备的二氧化锡薄膜进行表征分析，并将其应用于钙钛矿太阳能电池的制备，评估其对器件性能的影响。结果表明，与传统旋涂法相比，CBD法制备的二氧化锡薄膜更加均匀致密，具有更好的结晶度和更高的电子提取能力，可以获得更高的器件效率。该研究构建了“理论-实践-探究-创新”的教学模式，通过设计CBD法制备二氧化锡电子传输层的教学实验，可以有效提升学生的学习兴趣，加深他们对理论知识的理解，并激发了他们在新能源领域的探索热情。为高校新能源材料与器件专业的本科生实验教学改革提供新的思路，并对培养具备实践能力和创新精神的新能源人才提供借鉴。

关键词: 传统能源与新能源, 化学浴沉积, 二氧化锡, 电子传输层, 钙钛矿太阳能电池, 实验教学, 教学改革

Abstract:

This study focuses on the teaching of electron transport layer materials within the Traditional Energy and New Energy curriculum， using perovskite solar cells as a starting point. It integrates the cutting-edge research on chemical bath deposition （CBD） of tin oxide （SnO₂） electron transport layers into teaching practice. The study employs scanning electron microscopy （SEM）， X-ray diffraction （XRD） and photoluminescence spectroscopy （PL） to characterize the SnO₂ thin films prepared by CBD. It then applies these films to fabricate perovskite solar cells， evaluating their impact on device performance. The results show that compared to SnO₂ thin films prepared by the traditional spin-coating method， those prepared by CBD are more uniform and denser， exhibit better crystallinity and higher electron extraction capability， ultimately achieving higher device efficiency. This research constructs a “Theory-Practice-Inquiry-Innovation” teaching model. By designing a teaching experiment on CBD of SnO₂ electron transport layers， it effectively enhances students' learning interest， deepens their understanding of theoretical knowledge and stimulates their enthusiasm for exploring the field of new energy. This research provides a new approach for experimental teaching reform in universities and holds significant importance for cultivating new energy talents with practical skills and an innovative spirit.

Key words: Traditional energy and new energy, Chemical bath deposition, Tin oxide, Electron transport layer, Perovskite solar cells, Experimental teaching, Teaching reform

中图分类号:

O648

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图/表 8

图1 钙钛矿太阳能电池的器件结构

Fig.1 Device structure of perovskite solar cell

图2 不同时间沉积的CBD法制备SnO2薄膜的SEM图像A. Bare FTO； B. 2 h deposition； C. 3 h deposition； D. 4 h deposition

Fig.2 SEM images comparing the surface morphology of FTO substrate with CBD-SnO2 films deposited for different durations

图3 CBD法制备SnO2薄膜不同阶段的过程分析的（A）溶液变化，（B）示意图及（C）FTO浸泡液变化

Fig.3 Evolution of （A） solution properties，（B） schematic representation and （C） FTO immersion solution during the CBD process for fabricating SnO2 thin films

图4 薄膜的SEM表征：（A） FTO，（B）旋涂法制备的SnO2薄膜，（C） CBD法制备的SnO2薄膜；薄膜的AFM表征：（D） FTO，（E）旋涂法制备的SnO2薄膜，（F） CBD法制备的SnO2薄膜

Fig.4 SEM characterization of films：（A） FTO，（B） SnO2 film prepared by spin coating and （C） SnO2 film prepared by CBD； AFM characterization of films：（D） FTO，（E） SnO2 film prepared by spin coating and （F） SnO2 film prepared by CBD

图5 旋涂法和CBD法制备SnO2上生长的钙钛矿薄膜的（A， B）表面SEM图像、（C）XRD谱图及（D）PL光谱

Fig.5 Characterization of perovskite films：（A， B） Surface SEM images of perovskite films grown on spin-coated SnO2 and CBD SnO2，（C） XRD pattern and （D） PL spectra.

图6 不同电子传输层制备方法对钙钛矿器件性能的影响：使用旋涂SnO2和CBD-SnO2作为ETL制备器件的J-V曲线

Fig.6 Perovskite device performance with different ETL preparation methods： J-V curves of devices using spin-coated SnO2 and CBD-SnO2 as ETL

表1 旋涂法和CBD法制备SnO2作为电子传输层的钙钛矿器件的光伏性能参数（1个标准太阳光下）

Table 1 Photovoltaic performance parameters of perovskite devices using spin-coated SnO2 and CBD-SnO2 as ETLs （under 1 sun illumination）

Preparation method	Scan direction	$V o c a$ /V	$J s c b$ /（mA·cm^-2）	FF ^c /%	PCE ^d /%
CBD-SnO₂	Forward scan	1.129	24.06	77.89	21.15
CBD-SnO₂	Reverse scan	1.129	24.08	80.43	21.86
Spin-coating-SnO₂	Forward scan	1.078	23.41	73.54	18.56
Spin-coating-SnO₂	Reverse scan	1.075	23.54	74.43	18.83

表1 旋涂法和CBD法制备SnO2作为电子传输层的钙钛矿器件的光伏性能参数（1个标准太阳光下）

Table 1 Photovoltaic performance parameters of perovskite devices using spin-coated SnO2 and CBD-SnO2 as ETLs （under 1 sun illumination）

Preparation method	Scan direction	$V o c a$ /V	$J s c b$ /（mA·cm^-2）	FF ^c /%	PCE ^d /%
CBD-SnO₂	Forward scan	1.129	24.06	77.89	21.15
CBD-SnO₂	Reverse scan	1.129	24.08	80.43	21.86
Spin-coating-SnO₂	Forward scan	1.078	23.41	73.54	18.56
Spin-coating-SnO₂	Reverse scan	1.075	23.54	74.43	18.83

表2 教学实验课时安排

Table 2 Teaching and experimentation schedule

	实验的具体内容及学时数	总学时数/h
教师讲解	1.能源的现状和未来发展趋势（0.2 h）； 2.钙钛矿太阳能电池的发展，器件结构和工作原理（0.2 h）； 3.传统旋涂SnO₂凝胶法和CBD法制备的SnO₂薄膜的优缺点比较（0.3 h）； 4.CBD法制备的SnO₂薄膜的制备过程和原理（0.3 h）	1
学生制备SnO₂薄膜	1.配置CBD氧化锡母液（0.2 h）； 2.传统旋涂SnO₂凝胶法制备SnO₂薄膜（0.4 h）； 3.不同浸泡时间，CBD法制备的SnO₂薄膜（4 h）； 4.清洗CBD法制备的SnO₂薄膜，待测试（0.4 h）	5
教师实验和讲解	教师或助教通过SEM、XRD等表征手段对学生制备的薄膜进行分析，并将薄膜制备成器件，比较不同制备方法对钙钛矿薄膜和钙钛矿太阳能电池性能的影响	0
结果分析和讲解	通过视频教学的方式进行分析和讲解，从而让学生能更深入地理解实验结果（1 h）	1

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