《Journal of Materials Chemistry A》：適用于高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的低熱預(yù)算光子燒結(jié)技術(shù)固化的致密TiO2層（IF=11.99）

摘要：

有機(jī)金屬三鹵化物鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(PSC)的快速發(fā)展使其成為領(lǐng)先的下一代光伏技術(shù)之一。然而，大多數(shù)高性能PSC，尤其是使用致密TiO₂作為電子傳輸層的PSC，都需要高溫?zé)Y(jié)步驟，這與柔性聚合物基基板不兼容。考慮到PSC的目標(biāo)材料和相應(yīng)的設(shè)備配置，在技術(shù)上必須制造低熱預(yù)算的高效電池，以便它們可以在低溫塑料基板上實(shí)現(xiàn)。我們報(bào)告了一種新的光子固化技術(shù)，該技術(shù)可在氧化銦錫涂層玻璃和柔性聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)基板上產(chǎn)生結(jié)晶銳鈦礦相TiO₂薄膜。采用光子固化TiO₂薄膜的平面PSC在玻璃和柔性PET基板上的PCE分別高達(dá)15.0%和11.2%，與采用爐退火TiO₂薄膜的PSC的器件性能相當(dāng)。

文獻(xiàn)介紹：

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(PSC)在過(guò)去幾年中的能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)有了巨大提升，達(dá)到了20%以上的PCE水平，可與CIGS和CdTe等領(lǐng)先的薄膜光伏技術(shù)相媲美。PSC所展現(xiàn)的高光伏性能主要?dú)w功于鈣鈦礦(CH₃NH₃PbI_3-xCl_x、CH₃NH₃PbI₃等)的優(yōu)異性能，包括強(qiáng)光吸收、優(yōu)異的電荷傳輸、低載流子復(fù)合和可調(diào)光學(xué)帶隙，以及新材料設(shè)計(jì)和加工技術(shù)的進(jìn)步。

然而，到目前為止，大多數(shù)高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，尤其是那些具有傳統(tǒng)設(shè)備架構(gòu)的電池，都使用緊湊的TiO₂作為電子傳輸層(ETL)，這需要高溫(500℃)燒結(jié)步驟。因此，它與低溫聚合物基塑料基板不兼容，因?yàn)樗鼈冊(cè)谌绱烁叩募庸囟认聲?huì)大幅劣化。為了解決這個(gè)問(wèn)題，Yang等人開發(fā)了一種室溫磁控濺射工藝來(lái)制備高密度TiO₂層，并且相關(guān)的PSC在塑料基板上的PCE高達(dá)15.1%。約在同一時(shí)間，Qiu等人報(bào)道了一種低溫電子束蒸發(fā)法制備TiO₂層，在玻璃和柔性基板上分別實(shí)現(xiàn)了14.6%和13.5%的PCE。最近，Vaenas等人展示了一種溶液處理法，該方法使用150℃的溫度為PSC生成金紅石TiO₂薄膜，PCE為13.7%。原子層沉積(ALD)是另一種用于沉積TiO₂層的方法，但是，使用 ALD 沉積的TiO₂的器件性能迄今為止很差。

與這些技術(shù)相比，光子固化是一種強(qiáng)脈沖光燒結(jié)技術(shù)，由于其顯著縮短了總體處理時(shí)間，并且具有卷對(duì)卷(R2R)兼容性，因此更有前景，是制造的首選。光子固化是一種低熱預(yù)算技術(shù)，它使用高強(qiáng)度光子脈沖處理各種基材上的薄膜材料，包括溫度敏感塑料（例如聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚萘二甲酸乙二醇酯 (PEN)）。與傳統(tǒng)的高溫爐退火不同，光子方法能夠在極短的時(shí)間內(nèi)（以毫秒為單位）燒結(jié)包括太陽(yáng)能電池材料在內(nèi)的薄膜，從而消除對(duì)底層或基材的損壞。此外，它與R2R處理的兼容性使該技術(shù)對(duì)工業(yè)規(guī)模制造非常有吸引力。

在這項(xiàng)工作中，我們證明了光子固化技術(shù)在氧化銦錫(ITO)涂層玻璃和PET基板上實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量溶膠-凝膠處理的TiO₂薄膜的可行性。此外，還研究了水分對(duì)鈣鈦礦薄膜生長(zhǎng)和相關(guān)器件性能的影響。在光子固化TiO₂層上采用優(yōu)化的鈣鈦礦薄膜生長(zhǎng)制造的PSC在玻璃和柔性 PET 基板上的PCE分別高達(dá)15.0%和11.2%，與迄今為止報(bào)道的 PCE 相當(dāng)。

除了能夠?yàn)楦咝阅茉O(shè)備生產(chǎn)出高質(zhì)量的薄膜外，光子固化技術(shù)與傳統(tǒng)的爐內(nèi)退火相比還有另一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)，那就是它顯著減少了總體處理時(shí)間。相比之下，使用光子固化（25個(gè)脈沖，脈沖持續(xù)時(shí)間為7毫秒，連續(xù)脈沖之間的時(shí)間間隔為500毫秒）對(duì)TiO2層進(jìn)行退火需要13 秒的總固化時(shí)間，而爐內(nèi)退火需要1小時(shí)，這意味著光子固化可以將總體固化時(shí)間縮短200 多倍。

總之，我們已成功展示了一種卷對(duì)卷兼容的光子固化技術(shù)，可作為傳統(tǒng)爐退火的有前途的替代品，以在玻璃和柔性基板上實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的致密TiO₂薄膜，從而顯著減少處理時(shí)間和熱預(yù)算。采用光子固化TiO₂制造的器件表現(xiàn)出優(yōu)異的光伏性能，與在爐退火TiO₂層上觀察到的性能相當(dāng)。更重要的是，柔性器件表現(xiàn)出高達(dá)11.2%的PCE，與大多數(shù)最先進(jìn)器件的報(bào)道值相當(dāng)。

引用：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2016/ta/c6ta02105k

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