Предыстория исследования и проблемы

В последние годы перовскитные солнечные батареи(ПСК)Самосборка мономолекулярного слоя(САМ)Прикладные исследования показывают, что механизм его действия значительно отличается от традиционных принципов дипольного проектирования интерфейса, особенно вн-и-пСтруктура используется для электронного отбора молекулярных слоев(ESML)ч 00 м. Это отклонение от традиционной теории заставило исследователей пересмотретьSAMПрактический механизм действия в основном отражен в следующих трех аспектах:

1. Теоретические противоречия в принципах проектированияА.p-i-nЭлектрические отверстия в конструкции извлекают из собранного мономолекулярного слоя(HSSAM)Элементы на основе анилина, используемые для электронных свойств, могут эффективно улучшить прозрачные токопроводящие оксиды(TCO)Функция работы, которая противоречит традиционной теории, согласно которой всасывающая электронная группа должна улучшить функцию работы.

2. Важность механизмов поверхностного легирования: Экспериментальные доказательства показывают,SAMОсновная роль может не ограничиваться интерфейсным дипольным эффектом, а формировать области электронов, обогащенных или лишенных электронов на поверхности, подобно « поверхностному легированию».(поверхностный допинг)Механизм, который облегчает экстракцию конкретных носителей. Это объясняет, почемун-и-пВ структуре отсутствует электронный типSAM(ESSAM)Эффективно функционирует как электронный уровень отбора.

3. Проблема однородности процесса и структурыА.ПСКОбычный метод нанесения, используемый при приготовлении, трудно гарантировать.SAMРавномерное расположение, как показало исследованиеHSSAMВ практическом применении часто наблюдается неравномерное поверхностное покрытие и даже образование многослойной структуры вместо идеального мономолекулярного слоя, что приводит к рандомизации дипольной ориентации и дальнейшему отклонению от традицииSAMКонцепция.

Исследовательская группа и ключевые результаты исследований

Это исследование состоит изГао Пэн, Фуцзяньский институт физической структуры, Китайская академия наук(Пэн Гао)教授Руководство, статья опубликована вЖурнал Американского химического общества (JACS)А.

Исследовательская группа использует"Синергетическая нехватка электронных поверхностей"(Синергическая электронно-дефицитная поверхностная инженерия)Метод, систематический анализ дефицитных электронных материалов различной интенсивности, предназначенный для решения перовскитных солнечных батарей(ПСК)Самосборка мономолекулярного слоя(САМ)Проблема отклонения механизма действия от традиционных принципов дипольного проектирования интерфейса. Они специально изучилидвухфункциональный дипиридиновый электронный селективный молекулярный слой(ESML)И, используя карбоновые группы,(Bpy-COOH)ЗаменитьЦианоакриловая часть сильно всасывающих электронов(Bpy-CAA) Для регулирования интенсивности поглощения электронов молекул, чтобы усилить эффект адсорбции, экстракции электронов и пассивации. Исследование показало,Электронные свойства молекул более важны для эффективной электронной экстракции, чем дипольная ориентация.

Основные результаты:

1. Разработать эффективныйBpy-CAAосновной моноузелПСКУстройство, реализовано 23,98%Эффективность преобразования мощности(ПСЕ)А.

2. 1 см² Большие площадиn-i-p ПСКУстройствоПЦЕдостигать 21,63%В настоящем отчете используется органическийESMLОдна из эффективных.

3. АBpy-CAAВ качествеСНО2/Когда перовскит контактирует с интерфейсным слоем, одиночный переходПСК ПКЕдостигать 26,00%А.

4. Применяется к четырехполюсному перовскиту./Кремниевые солнечные батареи(4T-P/STSC)В это время достигается впечатляющая цель. 30,83% ПСЕВ списке уже сообщалось4Т-П/СТСВысокая эффективность(Рис. 7АТаблица 1)

Экспериментальные шаги и процессы

Рис. 4а

Подготовка материалов и компонентов

1. Синтез материалов

• Использование рыночных продажBpy-COOHматериал

• Шаг за шагомКновенагельСинтез конденсаторных реакцийBpy-CAA

2. Процесс подготовки солнечных батарей

• Обработка фундаментаА.Свободное осуществлениеФундамент очищается ультразвуком.(Очиститель, деионизированная вода, ацетон, этанол)И плазменная обработка.

• Уровень передачи электронов: Разбавление спиральным покрытиемСно2Коллоидный раствор и отжиг, образуя около35 нмТолщина слоя

• Электронная селекция молекулярного слоя: Циркулирование различных концентрацийBpy-COOHилиBpy-CAAРаствор и термическая обработка

• Кальциево - титановый пласт:: Округление определенных полос(1,57 ЭВ)или1,53 ЭВ)Раствор прекурсора перовскита с добавлением антирастворителя(Хлорбензол или ацетат)Содействие кристаллизации, последующая термическая обработка

• ДТ дырочный транспортный слой: Ротационное покрытиеСпиро-ОМЕТАДраствор

• Подготовка электродовА.

• Однопереходный аккумулятор: термопарное серебрение(Аг)Верхний электрод

• Полупрозрачный аккумулятор с четырьмя последовательными верхними батареями: последовательное осаждениеAu/MoO3Буферный слой,информацияПрозрачные электроды,АгСетка, добавить в концеМгФ2отражательное покрытие

3. ячейка с кремниевым гетеропереходом(Для четырехполюсной последовательной структуры)

• Силиконовая пластина образует пирамидальную текстуру и стандартную очистку

• черезПЭКВДОсадка многослойной кремниевой пленки в качестве пассивного и легирующего слоя

• БрызгиваниеИТОИ отжиг, окончательный испарениеАгЭлектроды

Оценка стабильности

• Стабильность хранения:: Неинкапсулированные компоненты помещаются в окружающий воздух(30%Относительная влажность, комнатная температура)Мониторинг производительности в дневном и ночном циклах

• Операционная стабильностьОтслеживание максимальной мощности при постоянном солнечном свете(отслеживание MPP)

• Структурная стабильность:: Перовскитные пленки стареют в воздухе окружающей среды, регулярноXRDИзмерение и отслеживание изменений кристаллической структуры

Рис. 1c

Методы и результаты

квазифермионное расщепление(QFLS) /имплицитно открытое напряжение(ИЛОС)

QFLSИзмерение электронов в устройствах.-максимальное разделение энергии между дырками при свете,QFLSЭто основано на фотолюминесцентной квантовой производительности.(PLQY)По результатам измерений можно считать теоретически максимальным напряжением открытого контура.(ИЛОС)Он непосредственно отражает размер нерадиоактивных комбинированных потерь. Результаты исследования показали,Bpy-CAAМожет эффективно минимизировать нерадиоактивные комбинированные потери интерфейса.

рисунокС36б: Сравнение компонентов полустека на разных базовых платахQFLSЗначения. По сравнению с чистой перовскитной пленкой1,226 ЭВА,Bpy-COOH/Образцы перовскитаQFLSЗначительное снижение до1.201 ЭВИBpy-CAA/Минеральные образцы кальция - титана показаны как1,216 ЭВЭто показывает, чтоBpy-CAAЭто помогает улучшить выравнивание энергетических уровней и пассивировать дефекты поверхности перовскита, тем самым сводя к минимуму потери неразлученных соединений интерфейса.

Технология Света была запущена совсем недавно.QFLS-КартировщикПредсказание пределов 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!

КПД переключения мощности(ПСЕ)и Плотность тока-напряжение(J-V)кривая

Дж-ВКривая обеспечивает эффективность преобразования мощности(ПСЕ)Открытое напряжение(Voc)Плотность тока короткого замыкания(Jsc)& Коэффициент заполнения(FF)Такие ключевые параметры. Исследовательская группа используетEnlitech SS-XСимулятор солнечного светаМоделированиеAM 1.5G (100 мВт/см)²)Измерения в условиях солнечного света.

1. Верхние полупрозрачные перовскитные солнечные батареи(СТ-ПСК)А.В использованииBpy-CAAОбработкаСно2Под интерфейсом реализовано 20,60%的ПЦЕА,Воцза1,209 ВА,JSCза20,85 мА/см²А,ФФза81,73%А.

2. нижний кремниевый гетеропереход(SHJ)Солнечные батареи:На вершинеСТ-ПСКПосле фильтрации все же внесли свой вклад 10,23%的ПЦЕА.

3. в целом4Т-П/СТСА.Совокупная эффективность верхних и нижних батарей 30,83%А.

рисунок7b: Использовать или не использоватьBpy-COOHиBpy-CAAОбработкаСно2的СТ-ПСК的Дж-ВКривая. Эта карта наглядно демонстрируетBpy-CAAЗначительное повышение производительности компонентов после обработки.

рисунок7с: ПоказатьСТ-ПСКвСвободное осуществлениеПод боковым светом.Дж-ВКривая, а также прохождениеСТ-ПСКФильтр кремниевых солнечных батарей.Дж-ВКривая. Показывает производительность каждой батареи в последовательной батарее и в конечном итоге суммирует30,83%ВсегоПЦЕА.

таблица 1:: Подробный перечень пройденных или не выполненныхESMLОбработкаСно2Оптимальная производительность широкополосногоСТ-ПСКИ стек.4Т-П/СТСФотоэлектрические параметры

Внешняя квантовая эффективность(EQE)

EQEИзмеряется эффективность преобразования падающих фотонов солнечными батареями в электронный ток на разных длинах волн, и их интегральные значения должны бытьДж-ВкриволинейныйJSCЗначения соответствуют. Исследовательская группа используетEnlitech QE-RКвантовая система измерения эффективности,И интенсивность света на каждой длине волны калибруется с использованием стандартных монокристаллических кремниевых опорных солнечных элементов.

ИсследовательскийEQEЭто подтвердилось.СТ-ПСКиШЖЭффективное использование подсистем солнечного спектра и интегралJSCЗначение &Дж-ВРезультаты измерений совпадают.

рисунокС40б: ПоказатьСТ-ПСКВерхняя батарея и прохождениеСТ-ПСКПосле фильтрации кремниевых батарей.EQEСпектр. Верхняя батарея в основном поглощает коротковолновый длинный свет, в то время как нижняя батарея эффективно использует пропускаемый длинноволновой длинный свет, что объясняет ее высокую эффективность последовательного соединения. Его интегралJSCЗначение отдельно20,59 мА/см²(верх)и18,47 мА/см²(низ)

фотолюминесценция с анализом времени(ТРПЛ)

Ведущая последовательностьДля измерения фотонных носителей (электронов)-Длительность жизни дырочных пар), сокращение срока службы носителей обычно указывает на более эффективную экстракцию заряда или более быстрое соединение.

Bpy-CAAОбработанные перовскитные пленки имеют более короткий срок службы носителей, что указывает на их более высокую способность к электронной экстракции.

рисунокС35: Показывает осадки в стекле,FTO/Bpy-COOHиFTO/Bpy-CAAперовскитовый плёночный на фундаментеВедущая последовательностьКривая затухания. Эта тенденция подтверждаетBpy-CAAЭффективно повышается способность к электронному извлечению и передаче.

спектр переходного отражения(ТР-спектроскопия)

ТРСпектр для исследованияESML/Динамика носителей перовскитных интерфейсов, особенно на глубине обнаружения (около20 нмПродолжительность жизни носителей внутри. Результат иВедущая последовательностьСогласованность, все доказаноBpy-CAAПревосходные свойства электронной экстракции.

рисунок5а-с:: Показать осадки на разных фундаментах (FTO/Bpy-COOHиFTO/Bpy-CAAПеровскитные пленки на разных длинах волн обнаружения и накачки-Двумерная псевдоцветная диаграмма для обнаружения изменений альбедо во времени задержки. ПоказатьBpy-CAAОбладает улучшенными свойствами электронной экстракции.

Морт.-Шотки(Мотт-Шоттки)рисунок

Для изучения движущих сил фотонов и встроенного потенциала устройств(WBI)И исследование показало,Bpy-CAAУстройствоОтношение напряженияБолее высокая ценность показывает, что выравнивание полосы улучшается, что способствует разделению фотонных носителей.

рисунок5д:: Показать, что выравнивание полосы улучшается, помогает подавлять нерадиоактивные комплексы и улучшаетВоцА.

спектр тепловой проводимости(ТАС)& Плотность состояния ловушки(tDOS)

ТАСИспользуется для обозначения плотности мелких и глубоких дефектов. Результаты показали,Bpy-CAAУстройство на мелком энергетическом уровне (около0,4 ЭВ) МестныйtDOSЗначительное снижение объясняетсяBpy-CAAЭффективное пассивационное действие пассивационных элементов среднего Льюиса.

рисунок5е: Показать устройствоtDOSЭволюция.Bpy-CAAУстановка на неглубоком уровне.tDOSЗначительное снижение указывает на эффективное подавление таких дефектов, как вакансии йодида

спектр электрохимического сопротивления(EIS)

EISДля оценкиПСКХарактеристики переноса заряда, в частности, сложное сопротивление заряда(Rrec)И исследование показало,Bpy-CAAУстройствоРрекЗначение значительно выше, что свидетельствуетBpy-CAA/Сокращение нерадиоактивных комбинированных потерь на поверхности перовскита.

рисунок5f: Сильно доказалBpy-CAA/Уменьшение нерадиоактивных комбинированных потерь на границе перовскита.

Функция работы(Рабочая функция, WF)Изменить

ВФИзмерения показали,ESMLКак влияетСвободное осуществлениеФункция работы базовой пластины, которая влияет на эффективность электронной экстракции. Исследования показали,Bpy-CAAЗначительное снижениеСвободное осуществлениеФункция работы, показывающая более однороднуюВФРаспределение, которое облегчает электронную экстракцию/Передача. Ключевой вывод: Электронные свойства молекул более важны для эффективной электронной экстракции, чем дипольная ориентация.А.

рисунок2а: Показать голымСвободное осуществлениеи обработанных различными материалами.Свободное осуществлениеРаспределение функций работы. Как видно,Bpy-CAAПосле обработкиСвободное осуществлениеФункция работы смещается вниз и распределяется более равномерно.

Оценка стабильности(Стабильность хранения и эксплуатационная стабильность)

Были проведены комплексные исследования стабильности приборов, включая испытания на стабильность хранения в атмосферном воздухе и непрерывное отслеживание точек максимальной мощности(отслеживание MPP).Результаты показали,Bpy-CAAУстройство демонстрирует долгосрочную стабильность и работоспособность.

рисунок6д: Показать неупакованныйПСКРезультаты испытаний на устойчивость длительного хранения в окружающем воздухе.Bpy-CAAУстройство хранится в воздухе 1000 Через час остается его первоначальным.ПЦЕ的91,2%ИBpy-COOHУстройство поддерживается только63,4%А.

рисунокS43: Показать пакетСТ-ПСК& Без упаковкиСиВ окружающем воздухе (30%Относительная влажность, комнатная температура) проводитсяМППРезультаты отслеживания.Bpy-CAAУстройство находится 500 Через час остается его первоначальным.ПЦЕ的95%Выше.

Хдифракция лучей(XRD)

XRDИспользуется для мониторинга кристаллической эволюции пленки перовскита и структурной стабильности в процессе старения. Результаты показали,Bpy-CAAЭффективно уменьшает разложение перовскитной пленки и поддерживает лучшую целостность кристаллической структуры.

рисунок6а, b: Отслеживание мира при комнатной температуре30%Старение при относительной влажностиBpy-COOHиBpy-CAAКристаллическая эволюция перовскитной пленкиXRDРисунок. Для сравнения,Bpy-CAAПосле того, как образец подвергся воздействию влаги и кислорода, прочность кристалла лишь слегка снизилась, что подчеркивает его эффективное смягчающее действие

Другие признаки

1. МРТ и масс - спектрометрия(НМР и МС)А.Синтетические соединенияBpy-CAAСтруктурная чистота и правильность,1H НМРВ спектре8,25 ppmБлизкие характеристики винилового резонанса согласуются с литературой.(рисунокС6)

2. Термогравиметрический анализ(ТГА)А.Оценка тепловой стабильности материала,Bpy-CAAиBpy-COOHТемпература разложения около200°Си320°СГораздо вышеПСКТипичная рабочая температура85°СА.(рисунокС8)

3. Ультрафиолетовое излучение-Проникновение видимого света(УФ-Вис)А.анализESMLОптические свойства, дваESMLПоглощение в видимой области света незначительно и верно.Свободное осуществлениеОптическая проницаемость фундамента не оказывает существенного влияния.(рисунокS11)

4. измерение угла контакта(Контактный угол)А.ОценкаESMLПосле обработки фундамент и раствор предшественника перовскита увлажняют,Bpy-CAAПоказать более высокий угол контакта26.2°Помогает формировать более крупные зерна.(рисунок2d, e)

5. Атомно - силовой микроскоп(АФМ)А.Анализ поверхностной шероховатости иESMLТолщина, после обработкиСвободное осуществление的РМССнижение шероховатости указывает на улучшение контакта интерфейса.(рисунокS13)

6. расчет функциональной теории плотности(ДФТ)А.Моделирование молекулярного электронного электростатического потенциала и дипольного моментаBpy-CAAИмеет больший дипольный момент и значительно повышает прочность адсорбции.(рисунок2 часа)

7. инфракрасный спектр преобразования Фурье(FTIR)А.ПоискESMLвзаимодействуя с перовскитами,Bpy-CAAчжунС=ОиС=НПодтверждение отклонения частоты растяженияПб2+& ПиридинНАтомное взаимодействие.(рисунокS20)

8. Хспектр рентгеновских фотоэлектронов(XPS)А.Изучение перовскитов иESMLЭлектронные взаимодействия,Пб 4fПеремещение пиковой энергии к высокойПбОкисление повышается иBpy-CAAСмещение более очевидно.(рисунокS21)

9. Сканирующий электронный микроскоп(СЭМ)А.Наблюдение морфологических характеристик перовскита,FTO/Bpy-CAAПленка показывает однородность и полное покрытие, с большими зернами и гладкой поверхностью.(рисунок3с, d)

заключение

Исследовательская группа сосредоточилась на разработке новых двухфункциональных электронных селективных молекулярных слоев (ESMLУлучшение перовскитных солнечных батарей (ПСКЭффективность и стабильность

Основные открытия и дизайн материалов

•Преодоление традиционных познаний.:: Исследование показало, что регулирование прозрачных токопроводящих оксидов (ТКОКогда функция работы,Недостаточная модификация электронных поверхностей имеет гораздо более сильные и слабые стороны, чем традиционные направления диполей интерфейсаА.

•Новый типESML Bpy-CAAРазработка:: Используя двухфункциональный интерпиридинESML(Bpy-COOHЗамена карбоновых кислот наЦианоакриловая кислота с более высокой способностью поглощать электроны (Bpy-CAA)Успешно повысили его производительность.

•Двухфункциональная характеристикаА.Bpy-CAAАтомы азота Луизиана с карбоновой кислотой и хелатом, способные стабилизировать якорьТКОФундамент и эффективная пассивация дефектов перовскита.

Bpy-CAAОсновные преимущества и механизмы:

•Усиление регулирования функции работыА.Bpy-CAAДобавление фтора в оксид олова (Свободное осуществлениеФункция работы от4,74 ЭВДалее перейти4,48 ЭВИ функция работы распределена более равномерно (изменение поверхности0,05 ЭВДоказано, что доминирующая роль феномена отсутствия электронных поверхностей.

•Отличная адсорбция и качество пленки.А.Bpy-CAAзаСвободное осуществлениеИнтенсивность адсорбции поверхности значительно возросла (значение адсорбционной энергии более отрицательное, до-5,22 ЭВдо-7,60 ЭВ)[1, 13, S18]И снизитьСвободное осуществлениешероховатость поверхности[14, С19]Способствует осаждению высококачественных перовскитовых пленок иРост зерна(Контактный угол да26.2°В)).

•Эффективная пассивация дефектов и перенос зарядаА.Bpy-CAAЧерез &ПбИ2Сильная компоновка эффективно пассивирует дефекты интерфейса (например, свободные места йодида), уменьшая глубинные дефекты и содержание металлического свинца. Электрический и спектральный анализ подтвердил,Bpy-CAAЗначительно повышена эффективность извлечения и передачи электронов, подавлены нерадиоактивные комбинированные потери и улучшено выравнивание энергетической зоны (встроенный потенциал выше, до1,088 ВВ)).

Производительность перовскитных солнечных батарей:

•Простой узелПСКЭффективностьА.Bpy-CAAУстройство выполнено.Гандам23,98%Эффективность преобразования энергии (ПЦЕ)ПревышениеBpy-COOHУстройства (23,20%В)). Это органично.ESMLПрименяется кn-i-p ПСКОдно из преимуществ, о которых сообщается в докладе.

•Поведение приборов большой площади: В1 см²Большие приборыСредний,Bpy-CAAУстройство сохранилось.21,63%的ПЦЕА, да1 см²n-i-p ПСКИспользование органическихESMLСообщаемая эффективность.

•иСно2СочетаниеЭСЛИнтеграция: БудетBpy-CAAИнтеграция в качестве интерфейсаСНО2/В контакте с перовскитом, одиночный переходПСК的ПЦЕдостигать26,00%А.

•четырёхполюсный перовскит/Солнечные батареи (4Т-П/СТС): Дальнейшее применение этой стратегии4Т-П/СТСДостигнут,30,83%ЭффективностьПо данным на сегодняшний день,4Т-П/СТСК числу эффективных.

Повышение стабильности устройства:

• Bpy-CAAУстройство демонстрирует долгосрочную стабильность в окружающем воздухе (относительная влажность около30%) Хранение в1000Через час сохраняет свой первоначальныйПЦЕ的91,2%Гораздо лучше, чемBpy-COOHУстройство63,4%. Это объясняетсяBpy-CAAБолее сильная адсорбция с перовскитом в присутствии воды и кислорода[30, S38]Эффективно уменьшает разложение кристаллической структуры перовскита.

Источник: Journal of the American Chemical Society DOI: 10.1021 / jacs.5c07357

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