Научные достижения и перспективы

Оптимизация интерфейсов захоронения в перовскитовых солнечных батареях,Профессоры Чэнь Вэй и Лю Цзунхао, Хуачжунский университет науки и техникиИ рука об рукуШэньчжэньский профессионально - технический университетЦзингбай ЛиКоманда профессоров сделала большой прорыв, изучив смесьСамосборка мономолекулярного слоя(САМ)Механизмы межмолекулярного взаимодействия в процессе осажденияИсследование было опубликовано в ведущих журналах.Nature Communications", Заглавие"Модулирование конкурентной адсорбции гибридных самособирающихся молекул для эффективных широкополосных перовскитных солнечных элементов и тандемов"И".

Исследовательская группа разработала прорывную стратегию модификации интерфейса, которая успешно решает проблему широкополосных перовскитовых солнечных элементов(ПСК РГБ)Средне - и долгосрочные проблемы - - смешанныеSAMПроблемы с дефектами интерфейса, вызванные конкурентной адсорбцией. Исследователи систематически изучали три различных сорбента.(ПА)АCAиSA)& ОбычноSAMматериалMe-4PACzМеханизмы взаимодействия и воздействие на эффективность.

К числу основных результатов исследования относятся:

•Теоретические расчеты показываютSAКлючевые роли:Молекулярная динамика (МДМоделирование и теория плотности (ДФТРасчеты четко указывают,СинсорбентSAПредпочитает заполнятьНиоксиИТОНезакрытые точки поверхностиИ сMe-4PACzСоздание благоприятного взаимодействия, способствующего его децентрализации, и, следовательно, формированиеБолее плотный слой выбора электрической дырыА.SA-MeСвязь может быть даже вышеЯ-ЯЭнергия связующего узла помогает сломатьMe-4PACzВоссоединение.

•Экспериментальная проверкаSAОптимизация интерфейса с качеством перовскита:Результаты экспериментов убедительно доказывают, чтоВ / Я - 4 сумкиСмешанныеSAMЗначительно уменьшена нерадиогенная комбинированная потеря интерфейса, оптимизировано расположение уровней на погребенном интерфейсеИ эффективно регулируется.ВБГКачество кристаллов перовскита.XPSАнализ подтверждаетSAМожно усилитьMe-4PACzвНиоксВерхняя адсорбция.СЕМиXRDТехнология изометрии также показывает,SAВведение улучшит пленку перовскитаморфологииИ кристаллический.

•ПСК ВГБЭффективность значительно повысилась:на основеSAСтратегия оптимизации интерфейса,1,77 ЭВШирокополосный перовскитовый солнечный элементПолучилось.20,67%Эффективность преобразования энергии (ПЦЕ)И принятьСертификация достигнута20.21%.Его до1,332 ВОткрытое напряжение (ЛОС)，Значение аутентификации1,313 ВВыделяются в аналогичных устройствах. По сравнению с контрольной группой, осадки вSAУлучшенная плёнка перовскита на фундаменте показывает,Выше.ПЛКИЗначениеИ соответствует более высокимQFLSЗначениеА.

•Приближается цельный перовскит29%Эффективность аутентификации:Сделать это эффективнымПСК ВГБи1,26 ЭВУзкие (НБГ)ПСКСочетание успешно подготовлено.Двусторонние полностью перовскитные солнечные батареи (ТСК)И, егоПЦЕДостигнуть поразительного28,94%(Значение аутентификации28,78%Небольшая площадь0,087 см2)К тому же,Малогабаритный модуль (площадь отверстия)11,3 см2) Также реализовано23,92%的ПЦЕА.

•Слоистые устройства демонстрируют отличную долгосрочную стабильность:использоватьSAУлучшенный интерфейс полностью перовскитовых пластов в жестких условиях (85 ℃，Н2или 85 ℃/ 85%Относительная влажность) демонстрирует отличную долгосрочную операционную стабильность.

Рисунок 1iА.SAШирокополосные перовскитовые солнечные батареи с фундаментом(ПСК РГБ)ЛучшееДж-Вкривая

Исследовательская группа

Это новаторское исследование было проведено междисциплинарной командой, авторы которогоЧэнь Вэй, Университет науки и техники (Вэй ЧэньИ Лю Цзунхао (Зонгао ЛюПрофессор, и Шэньчжэньский профессионально - технический университетЦзингбай Ли教授。

Эта важная исследовательская работа состоит в основном из следующихединицаВыполнено:

1. Хуачжунский научно - технический университет(Университет науки и технологий Хуачжон, HUST)

2. Шэньчжэньский профессионально - технический институт(Шэньчжэньский политехнический университет)

3. Лаборатория оптической долины(Лаборатория долины оптики)

Контекст исследования

•Сложность интерфейса:Хотя самосборка мономолекулярного слоя(САМ)Широко используется для улучшения интерфейса перовскитных солнечных батарей, ноСмешанныеSAMВзаимодействие и конкурентная адсорбция в процессе осажденияНедостаточно изучены. Понимание того, как сорбенты влияют частоSAMматериал(какMe-4PACz)Процесс образования мембран является проблемой.

•Неолученные комбинированные потери:ПСК ВГБЭффективность ограничиваетсянеразлученные комбинированные потери на границе раздела. Как эффективно пассивировать дефекты интерфейса, уменьшить рекомбинацию заряда, повысить напряжение открытого контура(ЛОС)Это ключевая проблема.

•Реализация высокого напряжения(ЛОС)А.Несмотря наВБГМатериал потенциально высок.ЛОСНо реальные приборыЛОСЧасто ниже теоретических пределов.уменьшатьЛОСПотериВ частности, потери, связанные с нерадиоактивным комплексом интерфейса, являются ключом к повышению эффективности.

•Проблема выравнивания энергии:Выберите слой в электродыре(HTL)между залежами кальция и титана.Плохое выравнивание энергии.Это препятствует передаче заряда и снижает эффективность устройства.

•Качество кристаллической пленки перовскита:получитьВысококачественная, однородная и менее дефектная широкополосная перовскитная пленкаЭто все еще вызов. Интерфейсные модификаторы должны быть в состоянии эффективно регулировать процесс образования и роста перовскита.

•Разработка полностью перовскитовых батарей:Будет эффективноПСК ВГБ& Узкий энергетический зазор(НБГ) ПСКИнтеграция для создания высокопроизводительных полностью перовскитовых слоистых батарей, необходимых вТочное управление интерфейсом между подсистемамиИ убедитесь, что заряд эффективно сложен.

Рисунок 3b

решение

В ответ на эти трудности и вызовы исследовательская группа предложилаРегулирование комбинированного самосборного мономолекулярного слоя(САМ)Конкурентная адсорбцияОсновные решения и методы:

•Формирование интерфейса точного регулирования:Исследовательская группа углубляетсяко-адсорбенты (PA, CA, SA)& ОбычноSAMматериал(Me-4PACz)Взаимодействие между ними. С помощью молекулярной динамики(МД)Функциональная теория моделирования и плотности(ДФТ)Расчеты показывают разницу.ко-адсорбентыиMe-4PACzвНиоксиИТОПоверхностное адсорбционное поведение и энергия.

•Оптимизация слоя выбора отверстия:Исследование показало,SAВ качествеко-адсорбентПри этом можно эффективно заполнять незакрытые участки без помех.Me-4PACzАдсорбция, обеспечивающая образование плотного слоя выбора электрической дырыА.

•Подавление нерадиоактивных комплексов:В / Я - 4 сумкиСмешанныеSAMЭффективно снижает радиационные комбинированные потериБлагодаря более высокой светоизлучающей квантовой производительности(PLQY)деление на квазиФерми(QFLS)Стоит проверить.

•Улучшение энергетического равновесия:Расчеты и эксперименты показали,SA-MeДимеры могут улучшить расстановку уровней энергииСпособствует извлечению и передаче электрических отверстий от кальциево - титанового слоя до передающего слоя электрической дыры.

•Регулирование кристаллизации перовскита:фотолюминесценция на месте(ПЛ)Спектр,ХДифракция лучей(XRD)Широкий угол паденияХРассеяние лучей(ГИВАКС)Подождите, пока признаки покажут,SAИзмененный интерфейс помогает получить более качественную, кристаллическую и менее дефектную широкополосную перовскитную пленкуА.

•Подъемное напряжение(ЛОС)А.Благодаря вышеупомянутой стратегии значительно улучшилосьПСК ВГБ的ЛОСЭто подтверждается анализом потерь энергии.Сокращение нерадиоактивных комбинированных потерьЛОСОсновные причины повышенияА.

•Создание высокоэффективных слоистых батарей:Будет эффективноSAИзменитьПСК ВГБ& Узкий энергетический зазор(НБГ) ПСКСочетание, успешная подготовкаЭффективность(28.94%Значение аутентификации28,78%)Полноперовскитовые солнечные батареиИ демонстрирует хорошую стабильность.

Выбирая подходящийко-адсорбент (SA)иMe-4PACz形成混合SAMТщательно регулируйте характеристики интерфейса, тем самым полностью улучшая широкополосные перовскитные солнечные батареи и их производительность в полностью перовскитовых слоистых батареяхА.

Рисунок S10

Экспериментальные шаги и процессы

Подготовка материалов

•Исследования в основном используются[4-(3,6-диметил-9H-карбазол-9-ил)бутил]фосфоновая кислота (Me-4PACz)В качестве самосборного мономолекулярного слоя(САМ)Материалы.

•В качестве сорбента используются три различных двухфункциональных алкиламина:(6-аминогексил)-фосфоновая кислота (ПА)А7-аминогептановая кислота (CA)и6-аминогексан-1-сульфоновая кислота (SA)А.

•Эти материалы растворяются в определенных пропорциях и образуют смесь этанола.SAMРаствор.

•Широкополосный зазор(РГБ)Предшествующий раствор перовскитных солнечных батарей основан наFA0.8Cs0.2Pb (I0.6Br0.4) 3Состав.

•Узкий энергетический зазор(НБГ)Предшествующий раствор перовскитных солнечных батарей основан наFA0.6MA0.3Cs0.1Pb0.5Sn0.5I3 Состав.

Исследования и важные открытия

•Вычислительные исследования(ДФТ)Расчеты иМДМоделирование)А.

○DFTРасчет:ОбсуждениеПААCAиSAвНиоксиИТОПоверхностьМодель соединения с адсорбционной энергией. Результаты показали,SAвИТОАдсорбция может быть сильнееMe-4PACzА.

○МДМоделирование:Изучение сорбентов иMe-4PACzКонкурентное адсорбционное поведение.SAМожно сначала сорбироватьНиоксПоверхность, затем черезSA-MeУсиление димераMe-4PACzАдсорбция, которая помогает сформировать более однородный адсорбционный молекулярный слой и заполнить егоНиоксвИТООбласть, не покрытая поверхностьюА.SA-MeСоединение димеров может быть большеЯ-ЯДимерА.

○Расчеты показывают,SA-MeДимеры могут улучшить расстановку уровней энергииА.

Рисунок S4a и рисунок 1a-d

•Подготовка и испытания солнечных батарей:

○На основе различийSAMРемонтныйЭто / NiOxПодшивка полностью подготовлена.ПСК ВГБАппаратура.SAОсновные устройства достигают максимальногоПСЕ 20,67%Значение аутентификации20.21%)иВок 1,332 В(Значение аутентификации1,313 В)А.

○После оптимизации интеграцииВБГиНБГПодбатарейки готовы.2 - -Солнечные батареи с полным перовскитом(ТСК)，на основеSAЭлектрические батареи достигают максимума.ПКЭ 28,94%Значение аутентификации28,78%)А.

○Также на основеSAСлоистые микрокомпоненты,среднийПЦЕза21.82 ±1,28% (Площадь отверстия11,3 см2)А.

Рисунок 4c

•Стабильность батареи:

○на основеSAСлоистые батареи в85℃Нейтрализация азотной атмосферы85℃/ 85%Это проявляется в относительной влажности.Повышение стабильности хранения.В продолжениеAM 1,5 гСвет.MPPTработать500Через час,Поддерживает начальныйПЦЕ的85%А.

Рисунок 4f

Результаты исследований

Производительность фотолюминесцентных квантов(PLQY)деление на квазиФерми(QFLS)

Измерены концентрации перовскита на различных подложках.ПЛКИИ подсчитали соответствующиеQFLS- Количественная оценка.САМ/Нерадиационные комбинированные потери на поверхности перовскита.

рисунок3d, е:: Показать плёнку перовскита, осажденную на стеклянной основеПЛКИЗначение4.231%СоответствуетQFLSЗначение1,388 ЭВ. Для отложений в смешанныхSAMНа перовскитной пленке,SAОбразец получил наивысшийПЛКИЗначение3.005%СоответствуетQFLSЗначение1,379 ЭВА.SAСтратегия адсорбции может быть уменьшенаСАМ/Нерадиационные комбинированные потери на поверхности перовскита.

Энелитехновое поколениеКарта QFLSИзмерительные приборы мощные! Быстрый контроль качества материала!

Компания Enlitech QFLS-Maper，1 / 5Цены на оборудование можно использовать.КартированиеФункциональные результатыИзображение QFLSВизуализация общего распределения квазиФерми уровня энергии, преимущества и недостатки материала с первого взгляда!

Следите за нами и получайте больше новостейЭй!

ток-напряжение(J-V)кривая

Измерения основаны на разныхSAMРемонтныйЭто / NiOxширокополосный зазор на подложке(РГБ)Перовскитные солнечные батареи(ПСК)и полностью перовскитовые солнечные батареи(ТСК)的Дж-ВКривые, включая прямое и обратное сканирование.

л Широкополосный перовскитовый солнечный элемент(ПСК РГБ)А.использоватьSAУстройства с общим сорбентом демонстрируют значительное улучшение производительности, достигая самого высокогоПСЕ 20,67%(Обратное сканирование) и1,332 ВОткрытое напряжение(Voc)Этот результат сертифицирован,ПЦЕза20.21%А,Воцза1,313 В(рисунокS23). Эти значения были сообщены в то время.(1,77 eV) ПСК ВГБНа высшем уровне.

л Полноперовскитовые солнечные батареи(Все перовский ТСК)А.SAСовокупный адсорбент также значительно повышает производительность многослойных батарей, достигая максимумаПСЕ 28,94%(Обратное сканирование) и2,146 В的Воц. Стабильный выход мощностиПЦЕза28,72% (рисунокS37). Этот слоистый аккумуляторПЦЕСертифицирован как28,78%А,Воцза2,145 В(рисунокS38)А.

л на основеSAСлоистые микрокомпоненты:Содержит пять батарей.SAСлоистые микрокомпоненты показывают хорошую однородность, в среднемПЦЕдостигать21.82 ±1.28% (Площадь отверстия11,3 см2). Лучшие микрокомпонентыПЦЕза23,92%А,Воцза10,10 В(рисунок4е)А.

Внешняя квантовая эффективность(EQE)

Исследовательская группа используетEnlitech QE-RКвантовая система измерения эффективностиИзмерения основаны на разныхSAMЕдиный узелПСК ВГБиНБГ ПСКИ слоистые солнечные батареи.EQEСпектр.

рисунокС20: Группа контроля,ПАГруппа,CAГруппа иSAгруппаВБГУстройствоEQEбаллыJSCДля каждого 17.42、17.60、17.64и18,06 мА смА?2И,Дж-ВСканированиеJSCСовпадение. рисунок4д& ДиаграммаС36бПоказатьSAосноваТСК的ВБГиНБГПодбатарейныйEQEСпектр,EQEИнтегрированныеВБГиНБГПодбатарейныйJSCЗначение отдельно 15.94и15,71 мА смА?2А.

фотолюминесценция на месте(ПЛ)Спектр

Мониторинг перовскита на этапе вращения и отжига прекурсора в контрольной группе иSAКристаллическое поведение на подложке группы. （рисунокС24)

Хспектр рентгеновских фотоэлектронов(XPS)

использоватьXPSИзмерения основаны наMe-4PACzОтдельные (контрольные группы) иПААCAилиSAСмешанныеSAMРемонтныйЭто / NiOxХимический состав поверхности и валентное состояние элементов подложки. Проверьте наличие сорбентов и изучите их соотношениеMe-4PACzвНиоксВоздействие адсорбции и электропроводности поверхности.XPSОказалось, что сорбенты смешиваются.SAMСуществование и раскрытиеSAВведение не только эффективно иMe-4PACzСовместная адсорбция, но и усилениеMe-4PACzиНиоксСочетание, и повышениеНиоксПроводимость.（рисунокС9АС10АС11АС12)

Динамическое рассеяние света(DLS)

использоватьDLSБыли измерены размеры распределения микрочастиц в различных смешанных адсорбционных молекулярных растворах. Оказалось, что введение сорбентов снизилось.Me-4PACzСредний размер микрочастиц, образующихся в растворе, указывает на подавление сорбента.Me-4PACzМикроскопия (рисунокС13)

Ультрафиолетовое излучение-Видимый свет(УФ-Вис)Спектр

мониторингMe-4PACzвЭто / NiOxДинамика адсорбции на подложке, для отдельныхMe-4PACzРастворы иMe-4PACzиПААCAилиSAСмешанный раствор.В / Я - 4 сумкиСкорость адсорбции выше, нагрузка выше.（рисунокС14)

измерение угла контакта

Измеряли капли воды в контрольной группе иПААCAиSAОбработаноЭто / NiOxУгол контакта на подложке.Увеличение угла контакта показывает, что введение сорбента увеличивает гидрофобность поверхности, главным образом из - за смешиванияSAMЛучше прикрыть.Это / NiOxПоверхность уменьшает воздействие высокогидрофильных групп.（рисунокС15)

ХДифракция лучей(XRD)И стреловидное падение.ХДифракция лучей(GIXRD)

использоватьXRDИзмеряли осадки по - разному.SAMИзменить кристаллическую структуру перовскитной пленки на подложке. использоватьГИКСРДИзучалось остаточное напряжение пленки. （рисунокС26、рисунокС27)

широкий угол стреловидного паденияХРассеяние лучей(ГИВАКС)иПЛОтображение

Использовать технологию вскрытия, чтобы выставить нижнюю поверхность перовскита и провестиГИВАКССиПЛОтображения. Исследование смешиванияSAMВоздействие на качество перовскита и нерадиоактивные соединения на нижней границе. По сравнению с контрольной группой,SAПленка на основе перовскита демонстрирует более высокий уровеньПЛИнтенсивность и более однородность указывают на подавление нерадиоактивных комплексов в нижней части интерфейса. （рисунокС28Диаграмма2и-л)

спектр ультрафиолетовых фотоэлектронов(UPS)

Измерение подготовленного слоя переноса дырок(HTL)Размещение уровней энергии. ОценкаSAMИзменить правильноЭто / NiOxМаксимальное значение функции и диапазона значений(VBM)Последствия. （рисунок3а& ДиаграммаС29)

фотолюминесценция с временным разрешением(ТРПЛ)

Измерять осадки по - разному.SAMДинамика носителей перовскитной пленки на модифицированной подложке. （рисунок3b, с)

заключение

Исследователи подробно изучили гибридный самособранный мономолекулярный слой.(САМ)Адсорбенты и[4-(3,6-Диметил- 9H-Казол- 9 - -основа)Бутил]Фосфоновая кислота(Me-4PACz)Взаимодействие и высокоэффективные широкополосные солнечные элементы из перовскита(ПСК РГБ)Применение в слоистых солнечных батареях. Исследование показало,6 - 6Амингексан- 1 - -Сульфонат(СА)Как сорбент, он может эффективно заполнять незакрытые участки без помехMe-4PACzАдсорбция, в результате чего образуется плотный слой выбора электрической дыры.

С помощью молекулярной динамики(МД)Функциональная теория моделирования и плотности(ДФТ)Расчеты, исследования прояснилиSAиMe-4PACzСбалансированные поверхностные и молекулярные взаимодействия помогаютMe-4PACzвНиоксиИТОПоверхность более равномерно абсорбируется.XPSРезультаты проверки подтвердились.SAВ смесиSAMЕсть в наличии и показатьSAМожноРасширениеMe-4PACzиНиоксСпособность сочетать и улучшатьНиоксПроводимость.

Основные результаты этого исследования включают:

• На основеВ / Я - 4 сумкиСмешанныеSAM的1,77 eV ПСК ВГБДостигнуто до20,67%Эффективность преобразования мощности(Сертифицирован как20.21%)и1,332 ВОткрытое напряжение(Сертифицирован как1,313 В)А.

•В / Я - 4 сумкиСмешанныеSAMЭффективно уменьшает нерадиоактивные комбинированные потери интерфейса, оптимизирует расположение энергетических уровней и регулируетВБГКристаллы перовскитаА.XRDиСЕМОжидание результатов представления, использованиеSAПленка перовскита, осажденная в фундаменте, имеетБолее высокая кристаллизация, меньше дефектов и более ровная поверхностьА.

• Будут оптимизированыВБГПодбатарейки и1,26 ЭВУзкий энергетический зазор(НБГ) ПСКСоединить, приготовитьПолноперовскитовые солнечные батареи(ТСК)И, егоПЦЕДостигнут.28.94% (Сертифицирован как28,78%)А,Воцза2,146 ВА.

• На основеSAСлоистые микрокомпоненты (площадь апертуры)11,3 см2)Показано среднее21,82%的ПЦЕЛучшее устройствоПЦЕдостигать23,92%А,Воцза10,10 ВА.

• Тест на стабильность показывает, что на основеSAСлоистые устройства при постоянном освещении500Через час можно сохранить его первоначальным.ПЦЕ的85%Он также демонстрирует улучшенные характеристики с точки зрения тепловой и влажно - тепловой стабильности.

Источник: Nature communications DOI: 10.1038 / s41467 - 025 - 58111 - y

Эта статья для Enlitech Light Technology переписана для научного обмена Если есть какие - либо нарушения, пожалуйста, сообщите