《Journal of Materials Chemistry A》：适用于高效钙钛矿太阳能电池的低热预算光子烧结技术固化的致密TiO2层（IF=11.99）

发布日期：2024-08-09浏览次数：462

摘要：

有机金属三卤化物钙钛矿太阳能电池(PSC)的快速发展使其成为领先的下一代光伏技术之一。然而，大多数高性能PSC，尤其是使用致密TiO₂作为电子传输层的PSC，都需要高温烧结步骤，这与柔性聚合物基基板不兼容。考虑到PSC的目标材料和相应的设备配置，在技术上必须制造低热预算的高效电池，以便它们可以在低温塑料基板上实现。我们报告了一种新的光子固化技术，该技术可在氧化铟锡涂层玻璃和柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基板上产生结晶锐钛矿相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分别高达15.0%和11.2%，与采用炉退火TiO₂薄膜的PSC的器件性能相当。

文献介绍：

钙钛矿太阳能电池(PSC)在过去几年中的能量转换效率(PCE)有了巨大提升，达到了20%以上的PCE水平，可与CIGS和CdTe等领先的薄膜光伏技术相媲美。PSC所展现的高光伏性能主要归功于钙钛矿(CH₃NH₃PbI_3-xCl_x、CH₃NH₃PbI₃等)的优异性能，包括强光吸收、优异的电荷传输、低载流子复合和可调光学带隙，以及新材料设计和加工技术的进步。

然而，到目前为止，大多数高效钙钛矿太阳能电池，尤其是那些具有传统设备架构的电池，都使用紧凑的TiO₂作为电子传输层(ETL)，这需要高温(500℃)烧结步骤。因此，它与低温聚合物基塑料基板不兼容，因为它们在如此高的加工温度下会大幅劣化。为了解决这个问题，Yang等人开发了一种室温磁控溅射工艺来制备高密度TiO₂层，并且相关的PSC在塑料基板上的PCE高达15.1%。约在同一时间，Qiu等人报道了一种低温电子束蒸发法制备TiO₂层，在玻璃和柔性基板上分别实现了14.6%和13.5%的PCE。最近，Vaenas等人展示了一种溶液处理法，该方法使用150℃的温度为PSC生成金红石TiO₂薄膜，PCE为13.7%。原子层沉积(ALD)是另一种用于沉积TiO₂层的方法，但是，使用 ALD 沉积的TiO₂的器件性能迄今为止很差。

与这些技术相比，光子固化是一种强脉冲光烧结技术，由于其显著缩短了总体处理时间，并且具有卷对卷(R2R)兼容性，因此更有前景，是制造的首选。光子固化是一种低热预算技术，它使用高强度光子脉冲处理各种基材上的薄膜材料，包括温度敏感塑料（例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚萘二甲酸乙二醇酯 (PEN)）。与传统的高温炉退火不同，光子方法能够在极短的时间内（以毫秒为单位）烧结包括太阳能电池材料在内的薄膜，从而消除对底层或基材的损坏。此外，它与R2R处理的兼容性使该技术对工业规模制造非常有吸引力。

在这项工作中，我们证明了光子固化技术在氧化铟锡(ITO)涂层玻璃和PET基板上实现高质量溶胶-凝胶处理的TiO₂薄膜的可行性。此外，还研究了水分对钙钛矿薄膜生长和相关器件性能的影响。在光子固化TiO₂层上采用优化的钙钛矿薄膜生长制造的PSC在玻璃和柔性 PET 基板上的PCE分别高达15.0%和11.2%，与迄今为止报道的 PCE 相当。

除了能够为高性能设备生产出高质量的薄膜外，光子固化技术与传统的炉内退火相比还有另一个主要优势，那就是它显著减少了总体处理时间。相比之下，使用光子固化（25个脉冲，脉冲持续时间为7毫秒，连续脉冲之间的时间间隔为500毫秒）对TiO2层进行退火需要13 秒的总固化时间，而炉内退火需要1小时，这意味着光子固化可以将总体固化时间缩短200 多倍。

总之，我们已成功展示了一种卷对卷兼容的光子固化技术，可作为传统炉退火的有前途的替代品，以在玻璃和柔性基板上实现高质量的致密TiO₂薄膜，从而显着减少处理时间和热预算。采用光子固化TiO₂制造的器件表现出优异的光伏性能，与在炉退火TiO₂层上观察到的性能相当。更重要的是，柔性器件表现出高达11.2%的PCE，与大多数最先进器件的报道值相当。