Предыстория исследования и проблемы

Перовскит-Солнечные батареи (ПОТСКБлагодаря преимуществам регулируемости он теоретически имеет прорыв в одноканальной батарееШокли-КвейсерПредельный потенциал. По сравнению с другими технологиями,ПОТСКПреимущества: ультрафиолетовые фильтрационные свойства кальциево - титанового пласта повышают операционную стабильность, полностью тонкопленочная структура поддерживает высокопроизводительный процесс рулона на рулоне и может быть обработана на гибкой основе в обычных условиях, особенно для архитектурной интеграции, интеграции транспортных средств и переносных электронных продуктов и других применений.

Однако,ПОТСКРазвитие сталкивается с ключевыми технологическими проблемами:Сертифицированная эффективность (24,7%Все еще ниже, чем полностью перовскитные батареи28,2%) и перовскит- CIGSЭлектрические батареи (24,2%). Основная проблема, которая привела к такому снижению эффективности, заключается в том,Недостаточный ток ближнего инфракрасного света в органических элементах с узким зазоромОсновные причины включают:

1. Нехватка пригодных материаловВ настоящее время отсутствуют высокоэффективные нефуллереновые рецепторы с узким энергетическим зазором (НФАВ)). СуществующиеY6Оптическая энергия (~ 1,33 eVИдеальный энергетический зазор для последовательно - итеративной конфигурации (~ 1,00 eV) По - прежнему является субоптимизацией.

2. Задача согласования энергетических порядков: Традиционное снижениеНФАСтратегии энергетического зазора (например, удлинение сопряженной длины, усиление переноса заряда внутри молекулы) часто приводят кХОМОЧрезмерное повышение энергетического порядка приводит к дисбалансу энергетического порядка с полимерным имплантатом, что, в свою очередь, влияет на эффективность экситонной диссоциации и ограничивает производительность напряжения открытого контура и коэффициента заполнения.

Исследовательская группа и основные результаты

Исследования отХоу И, факультет химической и биомолекулярной инженерии, Национальный университет Сингапура и Институт солнечной энергии Сингапура(И Ху)教授Лидерство, результаты исследований опубликованы в ведущих журналахПрирода"И".

Исследовательская группа нацеленаПОТСКОсновные узкие места эффективности предлагают две ключевые инновационные стратегии:

Стратегия 1: Повысить производительность батарей с узким зазором на органическом дне Команда разработала синтез новых асимметричных рецепторов Фуллерена.P2EH-1ВИспользование одностороннего сопряженияπСтратегия моста уменьшает оптический разрыв1,27 ЭВВ то же время поддерживайте идеальную экситонную диссоциацию и форму Нами. Подтверждение с помощью фемтосекундного спектра переходного поглощенияПМ6доP2EH-1ВВысокоэффективный перенос дырок и использование электролюминесцентных квантовых измерений эффективности для отображения нерадиоактивных потерь напряжения от0,26 ЭВЗначительно уменьшена до0,20 ЭВА.

Стратегия 2: Оптимизация интерфейса батареи на перовските с широким энергетическим зазором Разработка нового самосборного мономолекулярного слояБр-Ph-4PACzЭффективные регуляторные функции с использованием бромфенола для замены радикалов иХОМОЭнергетический порядок улучшает выравнивание энергетической зоны с перовскитом и уменьшает комбинированные потери интерфейса. Использование ультрафиолетового спектра фотоэлектронов, зондовой силовой микроскопии Кельвина для оценки выравнивания энергетических уровней и подтверждения неинвазивного комбинированного уменьшения и повышения внутреннего напряжения с помощью стационарной фотолюминесценции и квазифермионных измерений деления.

Прорыв:: в сочетании с вышеупомянутой инновационной стратегией,ПОТСКЭффективность достигается26,7%Независимо аккредитована Шанхайским институтом микросистем и информационных технологий26,4%Установить превышение1 см²площаднойМировые рекордыА.

Рис. 4g

Экспериментальные шаги и подготовка устройства

Рис.4а

Исследование основано на двух основных стратегиях,Проектирование и подготовкаВысокопроизводительные ключевые компоненты солнечных батарей, в конечном итогеИнтеграцияРекордное количество перовскитов.-Органические солнечные батареи. Ниже приведены основные этапы и процессы эксперимента:

Изучение основных стратегий: Исследование в основном фокусируется на двух основных узких местах: во - первых, улучшениебатарея с узким зазором на органическом днеСветовой ток, второе решение.перовскитовый аккумулятор с широким зазоромПроблема потери напряжения и коэффициента заполнения.

Инновационные материалы и подготовка узкоохватных органических донных батарей

• Новый асимметричный рецептор Фуллерена(NFA) P2EH-1VУспешный синтез

• Исследовательская группаДизайн и успешный синтезНовый тип.Асимметричные афулереновые рецепторыP2EH-1ВА.

• Этот материал проходитОдностороннее сопряжениеπСтратегия МостаЭто позволило уменьшить оптический разрыв до1,27 ЭВА.

• Сборка высокоэффективных органических элементов

• Однопереходные органические солнечные батареиITO/MoOx/PM6: NFA/PDINN/AgСтруктура готовится.

• Из них,ПМ6В качестве донораАP2EH-1ВВ качестве рецептораОба из них являются 1: 1.2Смешанные пропорцииВ растворе хлороформа общая концентрация составляет16 мг/млА.

• Смешанный растворМооксНа слое, затем термический отжиг, окончательное осаждениеПДИННиАгЭлектроды готовы.

Оптимизация интерфейса и подготовка батарей на перовските с широким щелем

• Новая самосборка мономолекулярного слоя(SAM) Br-Ph-4PACzРазработка

• Исследовательская группаРазработка и синтезНовый тип.Самосборка мономолекулярного слояБр-Ph-4PACzА.

• Этот материал вводитсяЗаменитель бромфенолаДля эффективного регулирования работы иХОМОЭнергетический порядок для улучшения выравнивания энергетической зоны с перовскитом.

• Подготовка аккумуляторных элементов на высокопроизводительном перовските

• Использование перовскитовых солнечных элементов с одним переходом и широким щелемМТО/САМ/Перовскит/ C60 / BCP / АгСтруктура готовится.

• Во - первых, будет SAM (Br-Ph-4PACz)растворКартографическийИТОСтеклянный фундамент и нагрев.

• Впоследствии, будетКонкретный состав раствора прекурсора перовскита(Cs0.25FA0.75 Pb(Br0.4I0.6)3) ОкрашиваниеSAMСлой, и отжиг, чтобы сформировать перовскитную пленку.

• Наконец, последовательное осаждениеЭДАИ2Раствор,С60АBCPиАгЭлектроды для завершения устройства.

Высокоэффективные перовскиты-Интеграция органических солнечных элементов

• Оптимизация структуры последовательно - итеративных устройств и проектирования межсоединений

• Последний перовскит.-Органические солнечные батареи.стекло/ ИТО / САМПеровскит/ С 60 / Snox / ITO / MoOx /Органические/ PDINN / АгПолная архитектура устройства.

• Ключевые уровни взаимосвязиРасположенный между батареями на перовските и органическими донными батареями,С60Атомные отложения(АЛД)的СноксРаспыление.ИТОИ тепловое испарение.Моокс Состав для обеспечения эффективной передачи заряда.

• АккумуляторныйТолщина абсорбционного слояПосле точной оптимизации (перовскит около290 нмОрганический слой около110 нмДля достижения баланса плотности тока между двумя подсистемами.

Методы и результаты

квазифермионное деление(Распределение квази-Ферми, QFLS)

ОценкаSAMпотеря напряжения на границе с перовскитом и эффект нерадиологического комбинированного подавления,QFLSУлучшение устройств прямого отраженияЛОСУлучшение потенциала.

Получено путем измерения напряжения в открытом контуре зависимости от прочностиQFLSАнализ показал,Бр-Ph-4PACzОбработанная перовскитная пленка демонстрирует значительный эффект оптимизации интерфейса.Br-Ph-4PACz/квазиоткрытое напряжение перовскитного стека(iVoc)достигать1,38 ВЗаметно вышеMe-4PACz/Перовскитовый стек1,34 ВУлучшения достигают40 мВ.Этот результат подтверждаетБр-Ph-4PACzЭффективное сокращение за счет регулирования функции замещения бромфенолаSAMРассогласование энергетического порядка с поверхностью перовскита, уменьшение потери композитного соединения на границе раздела, для устройстваЛОСПовышение обеспечивает непосредственную движущую силу.

рисунок3дПоказать солнечную батарею из перовскита в двухSAMОбработаноЛОСАнализ потерь сопоставление.Бр-Ph-4PACzОбразец показывает большеQFLSЗначения и более низкие потери напряжения в интерфейсе, наглядно демонстрирующие функционализацию бромфенолаSAMЗначительные преимущества в оптимизации интерфейса.

Новейшие технологии.QFLS-КартировщикАнализируйте верхний предел потенциала материала!

Компания Enlitech QFLS-Maperпозволить вампоКонкурентоспособный1 / 5Преимущества затратМожно получитьКартирование QFLSиQFLSИзображениеЧеткое отображение пространственного распределения квазиферметрового энергетического уровня, чтобы качество материала было ясным с первого взгляда!

Отслеживайте нашу динамику и получайте ее в первый разТехническая информация!

ток-напряжение(J-V)Измерение кривых

Оцените характеристики фотоэлектрического преобразования одноузловых и последовательно - итерационных устройств, что напрямую отражает комплексный эффект инноваций материалов и оптимизации проектирования устройств.

Имитация в бардачке с азотным наполнителем.1солнце AM 1.5GСвет(100 мВт см)^-2)Приборы для измерения различных площадей(0,050 см)²и1,019 см²)Производительность.

л PM6: P2EH-1VОрганические солнечные батареиреализация17,9% ПКЕПрорыв, демонстрация0,82 ВОткрытое напряжение,28,60 мА см^-2Высокая плотность тока и76,5%Фактор заполнения.

л Бр-Ph-4PACzПеровскитные солнечные батареиДостигнуто20,4% ПСЕЕсть, есть1,37 ВВысокое напряжение и85,5%Превосходный фактор заполнения.

л Перовскит-Солнечные элементы с органической последовательностьюДостижение рекорда26,7% PCE(ЛОС: 2,14 В, АО: 15,15 мА см^-2FF: 82,4 процента)Устройства большой площади(1.019 см)²)Аналогичным образом поддерживается26,7% ПКЕА.

Результаты независимой сертификации Шанхайского института микросистем и информационных технологий26,4% ПКЕПоложительное и отрицательное сканирование последовательно и без видимого гистерезиса, сертифицированный сантиметровый однопереходный перовскит, перовскит- CIGSперовскит-Органические батареи.ПЦЕРекордыА.

рисунок4bПоказать однопереходные органические батареи, перовскитные батареи и каскадные батареиДж-ВСочетание кривых, четкое сравнение фотоэлектрических параметров трех устройств, интуитивно показывает значительное преимущество последовательной итерационной архитектуры в оптимизации соответствия напряжения и тока.

рисунок4еПоказать книгуСимитСертификация1 см²каскадный батареяДж-ВКривая, положительная и обратная разверткаПЦЕВсе они26,4%Подтверждение работоспособности и стабильности устройства в практическом применении.

Внешняя квантовая эффективность(Внешняя квантовая эффективность, EQE)измерение

Оцените, насколько спектральная реакция каждой подсистемы соответствует току, и проверьте синергию и баланс тока верхней подсистемы в последовательной ячейке.

PM6: P2EH-1VАккумулятор органического днаАP2EH-1ВХарактеристики красного смещения материала,EQEИнтегрированная плотность тока достигает27,86 мА см^-2И,Дж-ВРезультаты тестов очень совпадают.(ошибка< 3%)А.Перовскит-батарея с органическим каскадомАккумуляторы на перовските и органические донные батареиEQEбаллыАОДля каждого15,20 мА см^-2и15,14 мА см^-2. Это показывает, что плотность тока между двумя подсистемами хорошо соответствует и является ключом к достижению эффективной последовательной итерации батарей.

рисунок4дПеровскит-Перовскит в органических батареяхEQEКривые и интегралыJSCПоказывает две подсистемыEQEКривые, четко демонстрирующие их вклад в поглощение света на разных длинах волн, а также баланс плотности тока после интеграла

Электролюминесцентная квантовая эффективность(Квантовая эффективность электролюминесценции, EQEEL)измерение

Оценка нерадиоактивных потерь энергии и комбинированных механизмов органических солнечных элементов, использованиеEnlitech ELCT-3010(REPS)системаНаправлять внешнее напряжение на прибор/Источник тока измеряется.

P2EH-1ВИнновационные рецепторные материалы демонстрируют нерадиоактивные композитные ингибирующие эффекты, иP2EHПо сравнению с базовыми устройствами,P2EH-1ВУменьшение общей потери энергии приборов0,05 ЭВВ основном из - за значительного снижения нерадиоактивных потерь энергии, от0,26 ЭВЗначительное улучшение до0,20 ЭВ.Этот результат подтверждаетP2EH-1ВОптимизированная конструкция молекулярной структуры эффективно уменьшает плотность дефектного состояния и нерадиоактивные пути композиции.

рисунок2fдемонстрацияPM6: P2EHАPM6: P2EH-1VиPM6: P2EH-2VРезюме анализа энергетических потерь органических солнечных батарей, четкое сравнение нерадиоактивных энергетических потерь различных рецепторных материалов(ΔEnon-рад)Распределение, визуальное представлениеP2EH-1ВЗначительные преимущества в подавлении нерадиоактивных комплексов.

Чувствительный типEQE/спектрометр оптического тока преобразования Фурье(Чувствительный EQE/FTPS)

Оценка детальных механизмов потери энергии для органических солнечных батарей, использованиеEnlitech PECT-600 (FTPS)системаЧувствительность записейEQEВ сочетании с электролюминесценцией(EL)Выполнение кривойГауссианскийАнализ соответствия.

FTPS-EQEиELТочное согласование кривой подтверждается.P2EH-1ВПоведение прибора при подавлении нерадиоактивных потерь энергии. Степень выравнивания кривых непосредственно отражает баланс излучающих и нерадиоактивных процессов устройства,P2EH-1ВБлагодаря оптимизированной конструкции электронной структуры материал реализует двойной эффект усиления радиационной композиции и уменьшения нерадиоактивных потерь.

рисунок2 часадемонстрацияPM6: P2EH-1VСмешанные приборыFTPS-EQE& Электрическая люминесцентная криваяГауссианскийСоответствие контрасту, высокая согласованность двух кривых и точное выравнивание визуально подтвержденыP2EH-1ВЭффективность в снижении нерадиоактивных потерь энергии.

Другие признаки

Ультрафиолетовое излучение-Видимый спектр(УФ-Вис):: Показать характеристики светопоглощения материала, оценить эффект регулирования энергетического зазора.P2EH-1Впоглощать видимое красное смещение80 нмОптический энергетический зазор падает1,27 ЭВРасширение диапазона поглощения ближнего инфракрасного света.(рисунок1b)

широкий угол стреловидного паденияХРассеяние лучей(ГИВАКС):: Описание поведения тонкопленочных кристаллов и ориентации молекулярного накопления, оценка пути передачи заряда. всеНФАВсе они имеют приоритетную ориентацию,PM6: P2EH-1VСмешанная мембрана поддерживает хорошо упорядоченное накопление.(рисунок1d)

Атомно - силовой микроскоп(АФМ):: Оценка морфологии и шероховатости поверхности пленки, отражающей качество пленки.Бр-Ph-4PACzПоверхность перовскитной пленки более однородная, а шероховатость уменьшается до18,9 нмПреимущественноMe-4PACz的22,2 нмА.(Фиг....27)

спектр ультрафиолетовых фотоэлектронов(UPS):: Оцените выравнивание рабочего взаимодействия интерфейса материала с энергетическим порядком и оптимизируйте передачу заряда интерфейса.Бр-Ph-4PACzСуществует более глубокое рабочее письмо, выровненное с более благоприятной энергетической зоной, чтобы уменьшить потери энергии на интерфейсе.(рисунок3b)

зондово - силовой микроскоп Кельвина(КПФМ): Количественная оценкаSAMЭффект регулирования рабочего механизма, проверка оптимизации проекта интерфейса.КПФМПодтверждение изображенияБр-Ph-4PACzМожно более эффективно регулироватьИТОРаспределение функций фундамента.(Фиг....18)

Фотолюминесцентный спектр(ПЛ)& СофокальныйПЛОтображение:: Оценка нерадиоактивных комбинированных потерь и однородности пленки, отражающих эффект пассивации дефекта.Бр-Ph-4PACzПеровскитовая пленкаПЛИнтенсивность повышается в пять раз.ПЛКИот0,41%Значительное увеличение1,82%А.(рисунок3с)

Спектр переходного поглощения(ТА):: Оценка динамики заряда и процесса передачи дырок, проверка эффективности экситонной диссоциации.575 нмВездесущее телоГСБДинамическое подтверждениеP2EH-1ВкПМ6Эффективный перенос дырок.(рисунок2d)

вероятность диссоциации заряда(Пдисс)анализ:: Оценка эффективности генерации фотонного экситонного заряда, количественная способность экситонной диссоциации.PM6: P2EH-1VАппаратураПдиссдо96,1%Показать вероятность генерации заряда.(рисунок2е)

спектр импеданса(Импеданс):: Изучение сложного сопротивления заряда устройства, оценка характеристик передачи носителей.НиквистаДиаграммаP2EH-1ВУстройство имеет более высокое композитное сопротивление и более низкие потери заряда.(ФигС...14)

Переходный световой ток(ТПК)измерение:: Измеряет срок службы извлечения зарядовых зарядов и оценивает эффективность сбора заряда.Бр-Ph-4PACzСрок службы фотоэлектрического потока устройства сокращается до0,73 мксПовышение эффективности извлечения носителей.(рисунок3f)

измерение угла контакта：研究SAMХарактеристики увлажнения, оценка однородности покрытия пленки.Бр-Ph-4PACzСнижение угла контакта фундамента10.4°Улучшение увлажнения предшественников перовскита с пленочным покрытием.(Фиг....22)

Долгосрочная максимальная точка мощности(МПП)Оценка стабильности:: Оцените долгосрочную операционную стабильность устройства и проверьте потенциал практичности. батарея с последовательной упаковкой783Оставить после часа80%Эффективность,Бр-Ph-4PACzАппаратураТ80Продление до550ч 00 м.(рисунок4 часа)

электронный микроскоп с разверткой сечения(СЭМ):: Визуализация структуры последовательно - итеративного устройства с толщиной каждого слоя, проверка точности подготовки. Очистить отображение оптимизированных перовскитов(~290 нм)& Органический(~110 нм)Поглощающий слой и многослойная взаимосвязанная структура.(рисунок4а)

заключение

Исследовательская группа по перовскитам-Органические цепочки солнечных батарей достигли прорыва, благодаря двойной инновационной стратегии, которая успешно достигла рекордной эффективности и стабильности.

Основные технологические прорывы

Инновационный дизайн материалов:: Разработка новых асимметричных нефуллереновых рецепторовP2EH-1ВЧерез одностороннюю виниловую двойную связьπСтратегия моста уменьшает оптический разрыв1,27 ЭВПриближение красного смещения спектра поглощения80 нмДостижение до28,60 мА см^-2Плотность тока короткого замыкания. Эффективность органической батареи.17,9%Нерадиационные комбинированные потери от0,26 ЭВСнижение0,20 ЭВВероятность рассеивания заряда высока.96,1%А.

Инженерная оптимизация интерфейса:: Самосборка мономолекулярного слояБр-Ph-4PACzВыровнять регуляторные функции и энергетические полосы с помощью бромбензола, чтобы перовскитная пленкаПЛИнтенсивность повышается в пять раз.ПЛКИот0,41%Значительное увеличение1,82%. Эффективность аккумулятора на перовските с широким энергетическим зазором20,4%Есть, есть1,37 ВВысокое напряжение и85,5%Фактор заполнения.

Производительность

Рекордная эффективность: Перовскит-Реализация органических солнечных элементов26,7% ПКЕНезависимо аккредитована Шанхайским институтом микросистем и информационных технологий26,4%，Это больше, чем все общедоступные одноступенчатые перовскиты и перовскиты.-перовскит- CIGSСерийный рекорд батарейВ. Для 1 Устройство эффективной площади с квадратным сантиметром и стабильной эффективностью преобразования мощности(ПСЕ)Доступно26,5%

Превосходная стабильность:: Сборка батарей в условиях окружающей среды(25°С, 85%Относительная влажность)проходить783часМППОтслеживание после удержания80%Начальная эффективность значительно лучше, чем однопереходные органические батареиТ80Только180час)А.Бр-Ph-4PACzАппаратураТ80Продление до550Часы, подтверждающие положительное влияние ультрафиолетовой фильтрации кальциево - титановой руды на долгосрочную стабильность.

Источник: Nature DOI: 10.1038 / s41586 - 025 - 09181 - x

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