ACS Energy Lett. 英国纽卡斯尔大学Marina Freitag：柔性光伏高温烧结技术，突破200°C耐热极限

2025-12-30 15:55:37 光焱科技股份有限公司

点击蓝字关注我们

研究背景与技术挑战

开发超轻量化光伏器件对于物联网、可穿戴电子产品及无人机等应用领域至关重要，预计到2030年相关年需求量将超过60 GW。在染料敏化太阳能电池的制备过程中，介孔二氧化钛（m-TiO2）光阳极通常需在450至500 °C的高温下烧结，该步骤是确保颗粒间的紧密连接、去除有机粘结剂并最大化染料吸附量的关键。然而，此温度远超大多数柔性聚合物衬底（如PI或PEN）的耐受极限（通常低于200 °C），使得超薄塑料衬底在数秒内便会发生变形或熔化。

该研究由英国纽卡斯尔大学的Marina Freitag教授与瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的Kevin Sivula教授团队共同完成，发表于《ACS Energy Letters》。研究团队开发出一种“表面局部”闪光红外退火（Flash Infrared Annealing, FIRA）技术。此方法利用近红外（NIR）辐射，并结合主动式水冷散热片与硼硅酸盐隔热层，在空间上建立了极大的温度梯度。实验数据显示，当m-TiO2薄膜表面达到550 °C的烧结温度时，厚度仅12.5微米的聚酰亚胺（PI）衬底温度仍可保持在170 °C以下。这种将高温工艺与低温衬底解耦的策略，成功实现了含粘结剂的标准二氧化钛浆料在超薄聚合物上的直接高温成膜。（图1）

QFLS表征与载流子动力学解析

QFLS与电子密度的关联

根据定义，二氧化钛中的电子电化学势（即QFLS）可表示为 E_F,TiO2 = E_redox - V_OC。由于实验中使用的Cu(tmby)2电解质组分一致，其氧化还原电位（E_redox）可视为常数，因此V_OC的变化直接反映了二氧化钛导带内QFLS的降低。数据显示，柔性PI/PEN器件的V_OC为0.99 V，比玻璃基参比器件低约50 mV。

瞬态光电压衰减与电荷提取分析

为探究QFLS降低的成因，研究团队通过瞬态光电压衰减与电荷提取分析，比较了电子寿命（τn）与电荷积累（Q_OC）。

电子寿命（图3d）：在相同电压下，PI/PEN器件的电子寿命明显低于玻璃基参比器件，显示出更快的载流子复合速率。
电荷提取（图3e）：在给定的V_OC下，柔性器件的电荷提取量较少，表明二氧化钛导带中的电子密度较低，该结果与QFLS的降低直接相关。

电化学阻抗谱（EIS）数据分析

EIS分析进一步量化了器件内部的动力学参数（图3f与Table S3）：

复合电阻（R_rec）：柔性器件的R_rec为41.08 ohm cm2，低于玻璃基参比器件的47.50 ohm cm2。
化学电容（C_TiO2）：柔性器件的电容（5.62 x 10-4 F/cm2）显着低于参比器件（12.42 x 10-4 F/cm2），该数据与电荷提取测量中观察到的低电子密度结论一致。
传输电阻（R_trans）：柔性器件的R_trans高达19.01 ohm cm2，远高于玻璃基参比器件的0.43 ohm cm2。