《FrontiersinEnergyResearch》：柔性鈣鈦礦太陽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：大規模生產

背景：

鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)的高通量卷對卷(R2R)製造目前受到每個熱過程需要數十分鍾的限製，轉化為不切實際的長時間退火工具。此外，PSCs通常由需要高溫熱退火的金屬氧化物傳輸層材料製成。在這裏，我們展示了使用光子固化而不是熱退火來製造PSCs
，直接將NiOx從溶膠-凝膠前體轉化為空穴傳輸層
，並在柔性Willow®玻璃襯底上結晶甲基碘化鉛銨(MAPbI3)活性層。光子固化使用短而強的光脈衝以高速加工材料
，因此它與R2R製造兼容。我們實現了光子固化NiOx和MAPbI3薄膜製成的PSCs的正向掃描功率轉換效率(PCEs)為11.7%
，反向掃描功率轉換效率為10.9%。此外，NiOx和MAPbI3薄膜都可以用單個光子固化脈衝處理，網速為5.7m/min，並且仍然可以產生與熱退火對照樣品相當的PCE。基於每個薄膜的單脈衝光子固化條件，我們預計網速為26m/min，為鈣鈦礦太陽能組件的高通量生產奠定了基礎。

文獻介紹：

鹵化物鈣鈦礦太陽能電池(PSC)效率在過去十年中大幅提高，單結器件的功率轉換效率(PCE)超過25%(NREL,2019)。鹵化物鈣鈦礦可以用溶液法沉積並在低溫下加工，使其成為柔性基材上卷對卷(R2R)印刷工藝的良好候選(Lietal.
，2018;Jenaetal.
，2019)。1.5米寬的卷材以30米/分鍾的卷材速度移動
，PSC的R2R加工可以為單個R2R裝配線提供高達4吉瓦/年的功率(EMC,2020)。溶液沉積方法，包括印刷(噴墨、絲網
、凹印、柔印)和塗層(刀片
、槽模、噴霧)方法，已經開發出來，可以超過10米/分鍾

，因此它們與R2R製造兼容(søundergaard等人，2013;Abbeletal.，2018)。然而
，用於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到所需的電子性能。

高(gao)溫(wen)退(tui)火(huo)會(hui)導(dao)致(zhi)襯(chen)底(di)損(sun)壞(huai)或(huo)機(ji)械(xie)故(gu)障(zhang)，特(te)別(bie)是(shi)在(zai)玻(bo)璃(li)化(hua)轉(zhuan)變(bian)溫(wen)度(du)較(jiao)低(di)的(de)塑(su)料(liao)襯(chen)底(di)上(shang)加(jia)工(gong)時(shi)。此(ci)外(wai)

，塑(su)料(liao)基(ji)板(ban)通(tong)常(chang)具(ju)有(you)與(yu)透(tou)明(ming)導(dao)電(dian)氧(yang)化(hua)層(ceng)不(bu)匹(pi)配(pei)的(de)熱(re)膨(peng)脹(zhang)係(xi)數(shu)
，這(zhe)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)這(zhe)些(xie)層(ceng)在(zai)加(jia)工(gong)過(guo)程(cheng)中(zhong)開(kai)裂(lie)或(huo)分(fen)層(ceng)。最(zui)近(jin)，人(ren)們(men)在(zai)降(jiang)低(di)金(jin)屬(shu)氧(yang)化(hua)物(wu)材(cai)料(liao)的(de)退(tui)火(huo)溫(wen)度(du)以(yi)實(shi)現(xian)柔(rou)性(xing)塑(su)料(liao)基(ji)板(ban)上(shang)的(de)製(zhi)造(zao)方(fang)麵(mian)做(zuo)出(chu)了(le)重(zhong)大(da)努(nu)力(li)(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十分鍾的高溫下，這是實現所需R2R速度的主要瓶頸。例如，在卷材速度為30米/分鍾的情況下，退火時間為20分鍾，則需要在爐內的卷材長度為600米。如此大的熔爐將需要巨大的R2Rxitongwulikongjian，shifangdaliangduoyudereliang
，bingtuidongzhizaochengbenshangshengzuijinshoudaoguangfanguanzhudeyigeyouqiantuderetuihuotidaifanganshiguangziguhua
，huoqiangmaichongguangtuihuo(施羅德等，2006)。在光子固化中，來自短(0.03-100ms)寬帶光脈衝(200-1,500nm)的(de)能(neng)量(liang)在(zai)薄(bo)膜(mo)樣(yang)品(pin)的(de)吸(xi)光(guang)層(ceng)內(nei)選(xuan)擇(ze)性(xing)地(di)轉(zhuan)化(hua)為(wei)熱(re)，從(cong)而(er)產(chan)生(sheng)快(kuai)速(su)的(de)轉(zhuan)化(hua)和(he)反(fan)應(ying)。雖(sui)然(ran)強(qiang)度(du)可(ke)以(yi)很(hen)高(gao)，但(dan)由(you)於(yu)脈(mai)衝(chong)持(chi)續(xu)時(shi)間(jian)短(duan)，總(zong)能(neng)量(liang)很(hen)低(di)。與(yu)熱(re)退(tui)火(huo)相(xiang)比(bi)，光(guang)子(zi)固(gu)化(hua)的(de)兩(liang)個(ge)主(zhu)要(yao)優(you)點(dian)是(shi)加(jia)工(gong)時(shi)更(geng)短(duan)
，並(bing)且(qie)與(yu)低(di)耐(nai)熱(re)性(xing)、透明基板兼容。光子固化已被用於燒結印刷金屬納米顆粒油墨，以在柔性基材上製造導電痕跡(施羅德,2011;Akhavanetal.，2017)。它也被證明分別在柔性和剛性基材上製造來自溶膠-凝膠前體的ZrO(Daunis等22人，2020)和HfO(Tetzner等人，2014)介電膜。對於PSC一些研究小組已經證明光子固化可以轉化鈣鈦礦活性層(Laveryetal.，2016;Troughtonetal.
，2016;Muydinov等人
，2018;Xuetal.
，2020)。另外，光子2固化也有報道用於製造介孔或致密的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)將光子固化應用於幹燥納米粒子etl，並在同一設備上結晶三陽離子鈣鈦礦活性層，每層使用多個脈衝。然而，到目前為止
，還沒有研究將溶膠-凝膠前體的金屬氧化物半導體用光子固化轉化為PSC中的傳輸層。

溶膠-凝膠前驅體膜需要高退火溫度(NiO為~250℃)才能形成致密的半導體金屬氧化物膜(劉等，2018)。到目前為止，大多數關於NiOHTLs低溫加工的報道都使用了預x合成的NiOHTLs晶體懸浮液(Yinetal.，2016;Zhang等人，2017)。納米晶體的預合成需要額外的

、耗時的處理步驟，這增加了製造成本(Wangetal.，2017)。因此
，開發一步法將其溶膠-凝膠前驅體轉化為NiOHTL是有利的。在本報告中，我們展示了在柔性氧化銦錫(ITO)塗層的康寧Willow®玻璃(WG)襯底上使用光子固化從硝酸鎳溶膠-凝膠前驅膜轉化NiOxHTLs。之所以選擇硝酸鎳作為NiOHTL的溶膠-凝膠前驅體，是因為硝酸鎳溶膠-凝膠前驅體比其他常用的NixOHTL前驅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體轉化為致密的金屬氧化物膜所需的能量更少。

在這項研究中，我們製作了倒置平麵p-i-n結構的PSC，其器件結構從下到上依次為: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(ceng)在(zai)同(tong)一(yi)器(qi)件(jian)上(shang)的(de)光(guang)子(zi)固(gu)化(hua)，即(ji)沒(mei)有(you)任(ren)何(he)熱(re)退(tui)火(huo)步(bu)驟(zhou)的(de)器(qi)件(jian)，並(bing)實(shi)現(xian)了(le)與(yu)所(suo)有(you)層(ceng)都(dou)經(jing)過(guo)熱(re)退(tui)火(huo)處(chu)理(li)的(de)器(qi)件(jian)相(xiang)當(dang)的(de)性(xing)能(neng)。我(wo)們(men)還(hai)揭(jie)示(shi)了(le)與(yu)在(zai)1毫米玻璃/ITO基板上相比，在WG/ITO基板上製造的PSC性能下降的原因。通過消除我們工藝中的所有熱退火步驟，我們將總退火時間從55分鍾減少到11秒。此外，我們表明NiOHTLs可以x僅用單個光子固化脈衝進行轉換

，進一步將兩層的總退火時間減少到2ms。最後
，我們討論了使用商業上可用的工業設備達到所需R2R網絡速度的途徑。通過首次應用光子固化將兩層PSC從前體轉化為最終產品，本工作展示了一種製造柔性PSC的方法，有利於升級到高通量製造。

引用：

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

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