《Journal of Materials Science & Technology》：用於高效平麵MAPbI3鈣鈦礦太陽能電池的非晶態 SnO2電子傳輸層的新型強脈衝光合成（IF=10.982）

背景：

盡管鈣鈦礦太陽能電池(PSC)在短時間內就實現了高功率轉換效率(PCE)
，但組成電子選擇層(ESL)的高溫燒結阻礙了其商業化。在本報告中，我們展示了光子燒結(IPL)處理對用於PSC的非晶態SnO₂ESL的快速無損燒結的有效性。對非晶態SnO₂進行IPL處理可顯著減少表麵羥基的數量
、改變表麵能
，並能夠生長出具有大晶粒尺寸的低應力鈣鈦礦層，所有這些都增強了光伏性能，並使能帶結構正確排列
，從而實現高效的PSC。通過對IPL條件的全麵優化，經過幾十秒處理的非晶態SnO₂IPL製成的MAPbI₃平麵PSC的PCE達到17.68%，與未經處理的SnO₂基PSC的PCE（7.06%）相比有顯著提高。此外，經過IPL處理的SnO₂基PSC的PCE與在185°C下退火三小時的SnO₂ESL製成的PSC的最佳PCE（18.16%）相當。由於其超快的燒結時間並且不會損壞SnO₂ESL

，新的IPL工藝有望為PSC的商業化開辟新的機遇。

文獻介紹：

有機金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池(PSC)因其出色的能量轉換效率(PCE)（可超過25.2%）而備受關注。如此出色的PCE是由於其具有較長的載流子擴散長度、低激子結合能和良好的可見光譜吸收率。盡管具有這些優異的性能和優勢
，PSC的商業化仍麵臨著低溫溶液加工方麵的嚴重問題。具體來說，具有平麵器件架構的PSC通常使用TiO₂作為電子選擇層(ESL)
，這需要長時間（1-2小時）高溫退火（>450°C）。此外

，TiO₂表現出較低的電子遷移率(0.1-1cm²V^-1S^-1)和較低的電導率(~1.1×10^-5Scm^-1)，因此需要額外的介孔層來通過增加表麵積來補償較低的遷移率和電導率。TiO₂ESL更嚴重的問題是它們在紫外線照射下表現出光催化特性，這會導致鈣鈦礦材料分解並對器件穩定性產生不利影響。為了克服TiO₂的上述缺點
，研究人員對基於SnO₂的ESL進行了廣泛的研究
，因為SnO2具有高電子遷移率
、高電導率、寬帶隙範圍(3.6-4.1eV)和良好的光穩定性。Ke et al.報道稱

，基於SnO₂的PSC的性能取決於185°C至500°C之間的退火溫度
，並得出結論，低溫退火可實現更好的表麵覆蓋、更寬的光學帶隙和更高的電子遷移率。Park等人還報道，在低溫（185°C）下退火的Li摻雜SnO₂表現出了大大改善的性能。盡管在低溫下處理的SnO₂具有優異的特性和性能，但這種方法在商業化方麵仍然存在問題，因為SnO₂的延長退火時間需要在卷對卷設置中使用長批量爐。同時，在印刷電子行業
，一種稱為強脈衝光(IPL)的無損工藝已被用作一種最小熱暴露方法來快速燒結納米顆粒薄膜。由於IPL工藝涉及用高強度脈衝光短時間照射氧化物薄膜表麵，因此總處理時間縮短至幾十秒，並且基板損壞最小化。

這裏，IPL輻照非晶態SnO₂ESL用於合成性能更佳的高效甲基銨碘化鉛(MAPbI₃)基平麵PSC。在每個2毫秒脈衝期間
，1.84Jcm⁻²的能量照射到非晶態SnO₂薄膜的表麵上；脈衝數會發生變化以優化ESL性能。在幾十秒內對非晶態SnO₂薄膜進行120次脈衝(~220Jcm⁻²)的IPL照射，可獲得PCE最高的PSC

；最大PCE為17.68%
，平均值和標準偏差為15.58%±0.85%。與基於未處理的SnO₂的PSC（最大PCE為7.06%，平均值和標準偏差為2.65%±1.76%）相比，IPL處理顯著提高了光伏性能。值得注意的是，IPL處理的基於SnO₂的PSC顯示出的PCE與采用185°C持續3小時的一般熱處理工藝製備的SnO₂ESL的器件（最大PCE為18.16%）相似。我們發現
，通過減少羥基（-OH）物種的數量（起缺陷/陷阱狀態的作用），對非晶態-SnO₂進行IPL處理可顯著改善短路電流密度(Jsc)和開路電壓(Voc)。此外，與未經處理的非晶態SnO₂相比
，經輻照的SnO₂ESL表現出增強的電導率和遷移率。本文給出的結果表明，IPL處理可以通過調節固有的MAPbI₃特性（例如應力和成核密度）在短時間內有效控製ESL/鈣鈦礦界麵
，這使得該工藝非常有希望實現PSC的商業高通量製造。

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

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