《FrontiersinEnergyResearch》：柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中鎳氧化物傳輸層和鈣鈦礦活性層的光子固化研究：大規(guī)模生產(chǎn)

背景：

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(PSCs)的高通量卷對(duì)卷(R2R)制造目前受到每個(gè)熱過(guò)程需要數(shù)十分鐘的限制，轉(zhuǎn)化為不切實(shí)際的長(zhǎng)時(shí)間退火工具。此外，PSCs通常由需要高溫?zé)嵬嘶鸬慕饘傺趸飩鬏攲硬牧现瞥?。在這里，我們展示了使用光子固化而不是熱退火來(lái)制造PSCs，直接將NiOx從溶膠-凝膠前體轉(zhuǎn)化為空穴傳輸層，并在柔性Willow?玻璃襯底上結(jié)晶甲基碘化鉛銨(MAPbI3)活性層。光子固化使用短而強(qiáng)的光脈沖以高速加工材料，因此它與R2R制造兼容。我們實(shí)現(xiàn)了光子固化NiOx和MAPbI3薄膜制成的PSCs的正向掃描功率轉(zhuǎn)換效率(PCEs)為11.7%，反向掃描功率轉(zhuǎn)換效率為10.9%。此外，NiOx和MAPbI3薄膜都可以用單個(gè)光子固化脈沖處理，網(wǎng)速為5.7m/min，并且仍然可以產(chǎn)生與熱退火對(duì)照樣品相當(dāng)?shù)腜CE。基于每個(gè)薄膜的單脈沖光子固化條件，我們預(yù)計(jì)網(wǎng)速為26m/min，為鈣鈦礦太陽(yáng)能組件的高通量生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

文獻(xiàn)介紹：

鹵化物鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(PSC)效率在過(guò)去十年中大幅提高，單結(jié)器件的功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)超過(guò)25%(NREL,2019)。鹵化物鈣鈦礦可以用溶液法沉積并在低溫下加工，使其成為柔性基材上卷對(duì)卷(R2R)印刷工藝的良好候選(Lietal.，2018;Jenaetal.，2019)。1.5米寬的卷材以30米/分鐘的卷材速度移動(dòng)，PSC的R2R加工可以為單個(gè)R2R裝配線提供高達(dá)4吉瓦/年的功率(EMC,2020)。溶液沉積方法，包括印刷(噴墨、絲網(wǎng)、凹印、柔印)和涂層(刀片、槽模、噴霧)方法，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)，可以超過(guò)10米/分鐘，因此它們與R2R制造兼容(s?undergaard等人，2013;Abbeletal.，2018)。然而，用于PSCs的金屬氧化物電子傳輸層(ETLs)和空穴傳輸層(HTLs)通常需要高溫(＞100℃)退火步驟才能完全達(dá)到所需的電子性能。

高溫退火會(huì)導(dǎo)致襯底損壞或機(jī)械故障，特別是在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度較低的塑料襯底上加工時(shí)。此外，塑料基板通常具有與透明導(dǎo)電氧化層不匹配的熱膨脹系數(shù)，這可能導(dǎo)致這些層在加工過(guò)程中開(kāi)裂或分層。最近，人們?cè)诮档徒饘傺趸锊牧系耐嘶饻囟纫詫?shí)現(xiàn)柔性塑料基板上的制造方面做出了重大努力(Shinetal.，2019)。降低熱退火溫度是朝著正確方向邁出的一步，但典型的熱退火工藝要求樣品在數(shù)十分鐘的高溫下，這是實(shí)現(xiàn)所需R2R速度的主要瓶頸。例如，在卷材速度為30米/分鐘的情況下，退火時(shí)間為20分鐘，則需要在爐內(nèi)的卷材長(zhǎng)度為600米。如此大的熔爐將需要巨大的R2R系統(tǒng)物理空間，釋放大量多余的熱量，并推動(dòng)制造成本上升最近受到廣泛關(guān)注的一個(gè)有前途的熱退火替代方案是光子固化，或強(qiáng)脈沖光退火(施羅德等，2006)。在光子固化中，來(lái)自短(0.03-100ms)寬帶光脈沖(200-1,500nm)的能量在薄膜樣品的吸光層內(nèi)選擇性地轉(zhuǎn)化為熱，從而產(chǎn)生快速的轉(zhuǎn)化和反應(yīng)。雖然強(qiáng)度可以很高，但由于脈沖持續(xù)時(shí)間短，總能量很低。與熱退火相比，光子固化的兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是加工時(shí)更短，并且與低耐熱性、透明基板兼容。光子固化已被用于燒結(jié)印刷金屬納米顆粒油墨，以在柔性基材上制造導(dǎo)電痕跡(施羅德,2011;Akhavanetal.，2017)。它也被證明分別在柔性和剛性基材上制造來(lái)自溶膠-凝膠前體的ZrO(Daunis等22人，2020)和HfO(Tetzner等人，2014)介電膜。對(duì)于PSC一些研究小組已經(jīng)證明光子固化可以轉(zhuǎn)化鈣鈦礦活性層(Laveryetal.，2016;Troughtonetal.，2016;Muydinov等人，2018;Xuetal.，2020)。另外，光子2固化也有報(bào)道用于制造介孔或致密的TiO(Dasetal.，2016;Felekietal.，2017;Luoetal.，2017)或SnO(Zhuetal.，2017)熱退火鈣鈦礦活性2層的etl。最近，Ghahremani等人(2020)將光子固化應(yīng)用于干燥納米粒子etl，并在同一設(shè)備上結(jié)晶三陽(yáng)離子鈣鈦礦活性層，每層使用多個(gè)脈沖。然而，到目前為止，還沒(méi)有研究將溶膠-凝膠前體的金屬氧化物半導(dǎo)體用光子固化轉(zhuǎn)化為PSC中的傳輸層。

溶膠-凝膠前驅(qū)體膜需要高退火溫度(NiO為~250℃)才能形成致密的半導(dǎo)體金屬氧化物膜(劉等，2018)。到目前為止，大多數(shù)關(guān)于NiOHTLs低溫加工的報(bào)道都使用了預(yù)x合成的NiOHTLs晶體懸浮液(Yinetal.，2016;Zhang等人，2017)。納米晶體的預(yù)合成需要額外的、耗時(shí)的處理步驟，這增加了制造成本(Wangetal.，2017)。因此，開(kāi)發(fā)一步法將其溶膠-凝膠前驅(qū)體轉(zhuǎn)化為NiOHTL是有利的。在本報(bào)告中，我們展示了在柔性氧化銦錫(ITO)涂層的康寧Willow?玻璃(WG)襯底上使用光子固化從硝酸鎳溶膠-凝膠前驅(qū)膜轉(zhuǎn)化NiOxHTLs。之所以選擇硝酸鎳作為NiOHTL的溶膠-凝膠前驅(qū)體，是因?yàn)橄跛徭嚾苣z-凝膠前驅(qū)體比其他常用的NixOHTL前驅(qū)體具有更低的分解溫度(SupplementaryFigureS1;劉等，2018;Sunetal.，2019)。因此，使用光子固化將硝酸鎳前驅(qū)體轉(zhuǎn)化為致密的金屬氧化物膜所需的能量更少。

在這項(xiàng)研究中，我們制作了倒置平面p-i-n結(jié)構(gòu)的PSC，其器件結(jié)構(gòu)從下到上依次為:WG/ITO/NiOx/甲基碘化鉛(MAPbI3)/苯基-c-丁酸甲酯(PC61BM)/bathocuproine(BCP)/Al。我們演示了NiOHTxL和MAPbIactive3層在同一器件上的光子固化，即沒(méi)有任何熱退火步驟的器件，并實(shí)現(xiàn)了與所有層都經(jīng)過(guò)熱退火處理的器件相當(dāng)?shù)男阅?。我們還揭示了與在1毫米玻璃/ITO基板上相比，在WG/ITO基板上制造的PSC性能下降的原因。通過(guò)消除我們工藝中的所有熱退火步驟，我們將總退火時(shí)間從55分鐘減少到11秒。此外，我們表明NiOHTLs可以x僅用單個(gè)光子固化脈沖進(jìn)行轉(zhuǎn)換，進(jìn)一步將兩層的總退火時(shí)間減少到2ms。最后，我們討論了使用商業(yè)上可用的工業(yè)設(shè)備達(dá)到所需R2R網(wǎng)絡(luò)速度的途徑。通過(guò)首次應(yīng)用光子固化將兩層PSC從前體轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)品，本工作展示了一種制造柔性PSC的方法，有利于升級(jí)到高通量制造。

引用：

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fenrg.2021.640960/full

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