《Journal of Materials Science & Technology》：用于高效平面MAPbI3钙钛矿太阳能电池的非晶态 SnO2电子传输层的新型强脉冲光合成（IF=10.982）

背景：

尽管钙钛矿太阳能电池(PSC)在短时间内就实现了高功率转换效率(PCE)，但组成电子选择层(ESL)的高温烧结阻碍了其商业化。在本报告中，我们展示了光子烧结(IPL)处理对用于PSC的非晶态SnO₂ESL的快速无损烧结的有效性。对非晶态SnO₂进行IPL处理可显著减少表面羟基的数量、改变表面能，并能够生长出具有大晶粒尺寸的低应力钙钛矿层，所有这些都增强了光伏性能，并使能带结构正确排列，从而实现高效的PSC。通过对IPL条件的全面优化，经过几十秒处理的非晶态SnO₂IPL制成的MAPbI₃平面PSC的PCE达到17.68%，与未经处理的SnO₂基PSC的PCE（7.06%）相比有显著提高。此外，经过IPL处理的SnO₂基PSC的PCE与在185°C下退火三小时的SnO₂ESL制成的PSC的最佳PCE（18.16%）相当。由于其超快的烧结时间并且不会损坏SnO₂ESL，新的IPL工艺有望为PSC的商业化开辟新的机遇。

文献介绍：

有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池(PSC)因其出色的能量转换效率(PCE)（可超过25.2%）而备受关注。如此出色的PCE是由于其具有较长的载流子扩散长度、低激子结合能和良好的可见光谱吸收率。尽管具有这些优异的性能和优势，PSC的商业化仍面临着低温溶液加工方面的严重问题。具体来说，具有平面器件架构的PSC通常使用TiO₂作为电子选择层(ESL)，这需要长时间（1-2小时）高温退火（>450°C）。此外，TiO₂表现出较低的电子迁移率(0.1-1cm²V^-1S^-1)和较低的电导率(~1.1×10^-5Scm^-1)，因此需要额外的介孔层来通过增加表面积来补偿较低的迁移率和电导率。TiO₂ESL更严重的问题是它们在紫外线照射下表现出光催化特性，这会导致钙钛矿材料分解并对器件稳定性产生不利影响。为了克服TiO₂的上述缺点，研究人员对基于SnO₂的ESL进行了广泛的研究，因为SnO2具有高电子迁移率、高电导率、宽带隙范围(3.6-4.1eV)和良好的光稳定性。Ke et al.报道称，基于SnO₂的PSC的性能取决于185°C至500°C之间的退火温度，并得出结论，低温退火可实现更好的表面覆盖、更宽的光学带隙和更高的电子迁移率。Park等人还报道，在低温（185°C）下退火的Li掺杂SnO₂表现出了大大改善的性能。尽管在低温下处理的SnO₂具有优异的特性和性能，但这种方法在商业化方面仍然存在问题，因为SnO₂的延长退火时间需要在卷对卷设置中使用长批量炉。同时，在印刷电子行业，一种称为强脉冲光(IPL)的无损工艺已被用作一种最小热暴露方法来快速烧结纳米颗粒薄膜。由于IPL工艺涉及用高强度脉冲光短时间照射氧化物薄膜表面，因此总处理时间缩短至几十秒，并且基板损坏最小化。

这里，IPL辐照非晶态SnO₂ESL用于合成性能更佳的高效甲基铵碘化铅(MAPbI₃)基平面PSC。在每个2毫秒脉冲期间，1.84Jcm⁻²的能量照射到非晶态SnO₂薄膜的表面上；脉冲数会发生变化以优化ESL性能。在几十秒内对非晶态SnO₂薄膜进行120次脉冲(~220Jcm⁻²)的IPL照射，可获得PCE最高的PSC；最大PCE为17.68%，平均值和标准偏差为15.58%±0.85%。与基于未处理的SnO₂的PSC（最大PCE为7.06%，平均值和标准偏差为2.65%±1.76%）相比，IPL处理显著提高了光伏性能。值得注意的是，IPL处理的基于SnO₂的PSC显示出的PCE与采用185°C持续3小时的一般热处理工艺制备的SnO₂ESL的器件（最大PCE为18.16%）相似。我们发现，通过减少羟基（-OH）物种的数量（起缺陷/陷阱状态的作用），对非晶态-SnO₂进行IPL处理可显著改善短路电流密度(Jsc)和开路电压(Voc)。此外，与未经处理的非晶态SnO₂相比，经辐照的SnO₂ESL表现出增强的电导率和迁移率。本文给出的结果表明，IPL处理可以通过调节固有的MAPbI₃特性（例如应力和成核密度）在短时间内有效控制ESL/钙钛矿界面，这使得该工艺非常有希望实现PSC的商业高通量制造。

引用：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.03.045

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