Logros y prioridades de la investigación

Células solares de Perovskita(PSC)La eficiencia ha mejorado significativamente, pero el voltaje de circuito abierto(COV)Todavía está por debajo del límite teórico. Esto se debe principalmente a los desajustes de nivel energético y las interfaces clave (especialmenteSnO₂/.Pérdidas compuestas no radiantes de la interfaz enterrada de perovskita). Los defectos de la interfaz enterrada son el principal problema, y la regulación precisa de esta interfaz es una mejora.PSCLa clave del rendimiento.

Este artículo fue publicado en las mejores revistas internacionales.Materiales avanzados (Adv. Mater.)Investigación, realizada porLi Gang de la Universidad Politécnica de Hong KongGang Li) profesores yKuan LiuEquipo de profesores, yDe la Universidad de Hong KongJinyao TangProfesores yLi mingliangEquipo de profesores asociadosLiderazgo conjunto. ParaCOVEl problema de las pérdidas, el desarrollo de un"Regulación de la interfaz enterrada(Regulación de interfaz enterrada, BIM)"EstrategiaA través de unDerivados de fosfonatos anfifílicos autoensamblados(MeOBTBT-POEt), enSnO₂/.Construir una interfaz enterrada de Perovskita"Plantilla impulsada por cristalización de perovskita". Esta plantilla pasa por la fijación-El Autoensamblaje del proceso de transformación de fase sólida forma una estructura supermolecular altamente direccional.

Conceptos básicos y mecanismos de acción- la investigación se centraMeOBTBT-POEtMúltiples roles clave de las plantillas supermoleculares en las interfaces enterradas:

·Inducir el crecimiento de cristales preferidos: promover la formación de Perovskita altamente preferida Hacia fuera de la cara(100)La orientación cristalina es propicia para la transmisión vertical de transportistas.DFTEl cálculo muestra su relación con(100)Interacción facial(-0,94 eV).

·Optimizar la alineación del nivel de energía y la extracción de transportistas: momento dipolo del material(1,89 D)Ajustar el nivel de energía de la interfaz y extraer la barrera potencial de los electrones0,24 eVBajar-0,03 eV14Acelerar la transferencia de transportistas.

·Pasivación activa de defectos: la estructura molecular puede ser pasivada "activamente"SnO215Y Perovskita16Los defectos inherentes de la interfaz inhiben eficientemente la combinación no radiante.

Resultados de la investigación clave

·Eficiencia de conversión de potencia de alta eficiencia(PCE): alcanzar25,34%AltoPCE.

·Pérdida de tensión de circuito abierto extremadamente baja(déficit de COV):Alcanzar el máximoCOV 1,23 V. para1.536 eVPerovskita con brecha energética,COVPérdidas solo0,306 V, alcanzando los límites teóricos97,2%.

·Inhibición eficiente de la combinación no radiante:

○ eficiencia cuántica externa de la Electroluminiscencia(EL-EQE)Aumentó significativamente a10,29%.

¿¿ qué?Eficiencia cuántica fotoluminiscente(PLQY)Ascender a27,06%.

¿¿ qué?División del nivel de energía cuasifemi(QFLS)Pérdida de62 mVCayó bruscamente34 mV, confirmado ultra bajoCOVLas pérdidas provienen principalmente de la eliminación de compuestos no radiantes. La densidad de trampas se redujo significativamente.

·Excelente estabilidad operativa a largo plazo: en condiciones de prueba estrictas(ISOS-L-3: MPP, 65 °C, 50 % de humedad relativa)Se ha logrado superar1200HoraT92Vida útil.

Figura 4e

Equipo de investigación

Este artículo fue publicado en las mejores revistas internacionales. Materiales avanzadosEl estudio, cuyo autor correspondiente esLi gang, de la Universidad Politécnica de Hong Kong()Gang Li) profesores yKuan Liu教授Y, ademásDe la Universidad de Hong KongJinyao Tang教授.

Esta importante cooperación de investigación reúne las fuerzas académicas de la Universidad Politécnica de Hong Kong y la Universidad de Hong kong, y combina equipos de investigación de varias unidades académicas, como la Universidad China de Hong Kong en Shenzhen y la Universidad China de Hong kong, para realizar exploraciones en profundidad y fructíferas sobre cuestiones clave para mejorar el rendimiento de las células solares de perovskita.

Antecedentes de la investigación

·Tensión de circuito abierto(COV)Pérdidas excesivas: a pesar de la mejora de la eficiencia,PSCdeCOVTodavía está por detrás de los límites teóricos.

·Pérdidas compuestas no radiantes en interfaces clave: Esto es lo que conduceCOVUna de las principales causas de la pérdida. En particularSnO₂/.Interfaz enterrada de PerovskitaSus defectos pueden causar una grave combinación no radiológica.

·Defectos inherentes en la interfaz enterrada:SnO₂Capa de transmisión electrónica(ETL)Descoordinación de la superficieSn2+ (Sn-OH)Se formarán trampas poco profundas que obstaculizarán la Perovskita yETLEficiencia de transmisión electrónica entre. Defectos de la propia Perovskita (por ejemplo, no coordinados)Pb2+) también es un problema. Los defectos profundos son el centro principal de la combinación no radiante.

·Desajuste de nivel de energía en la interfaz:SnO₂Puede haber extracción electrónica en la disposición del nivel de energía con Perovskita/.La barrera de energía de transmisión no es propicia para la transmisión efectiva de transportistas.

·Limitaciones de la pasividad de la interfaz tradicional: Aunque las modificaciones de la interfaz enterradas (como el uso de capas monomoleculares autoensambladas)SAMO puente molecular) se considera una estrategia colaborativa para resolver defectos, mejorar el contacto de la interfaz y la alineación del nivel de energía, y se han logrado algunos resultados, pero todavía hay mucho espacio para mejorar aún másCOV.

·Negligencia en la disposición molecular de la interfaz y la acción de la plantilla: estudios anteriores sobre las capas de inserción de interfaz, prestando menos atención a la disposición y orientación de estas capas moleculares y su papel como plantillas para regular la formación y cristalización de películas de perovskita, a menudo se ignoran.

·Los defectos de la interfaz afectan la estabilidad: el Centro compuesto y los defectos de la interfaz también acelerarán la degradación de la Perovskita bajo presión térmica y húmeda.

Figura 3d

solución

El equipo de investigación desarrolla y aplica un innovador"Regulación de la interfaz enterrada(BIM)- sí.La estrategia, cuyo núcleo es:

1.Construcción de una plantilla impulsada por la cristalización de Perovskita: enSnO₂Capa de transmisión electrónica(ETL)Interfaz enterrada con yacimientos de calcio y titanio, utilizando unDerivados de fosfonatos anfifílicos autoensamblados(MeOBTBT-POEt) Material, a través de la fijación-El proceso de transformación de fase sólida forma una plantilla supermolecular altamente direccional.

2.La acción multifuncional de los materiales supermoleculares: estoMeOBTBT-POEtLas moléculas juegan múltiples roles clave en la interfaz:

¿¿ qué?Inducir el crecimiento de cristales preferidos: la plantilla puede impulsar la Perovskita a lo largo de la prioridad(100)Dirección cristalina Crece hacia el plano exterior. Esto se debe aMeOBTBT-POEty(100)La superficie cristalina tiene una interacción que proporciona una fuerza motriz termodinámica.

¿¿ qué?Optimizar la alineación del nivel de energía y promover la extracción de transportistas: momento dipolo de la molécula(1,89 D)Regulación del nivel de energía de la interfaz y reducción de la extracción electrónica/.La barrera de energía transmitida permite que los electrones se transfieran más eficazmente de la Perovskita aSnO₂Capa.

¿¿ qué?Pasivación activa de defectos: a diferencia de los métodos tradicionales de pasivación pasiva,MeOBTBT-POEtLas partes funcionales de la estructura molecular (especialmente los grupos de fosfonato) puedenPasivación "activa"SnO₂Descoordinación de la superficieSn2+Defectos y defectos con depósitos de calcio y titanio (por ejemplo, no coordinados)Pb2+) se produce una interacción química que inhibe efectivamente las pérdidas compuestas no radiantes de la interfaz.

Figura 2c

Procesos y pasos experimentales

1.Preparación de moléculas especiales: el equipo de investigación primero preparó una molécula especial de derivado de fosfonato anfibio llamadaMeOBTBT-POEt. Esta molécula contiene una rígidaBTBTNúcleo y una cola de alquilo flexible con grupo de fosfonato.

2.baseSnO₂Preparación de la capa de transmisión electrónica: uso de la investigaciónFTOEl vidrio sirve como sustrato. Después de un tratamiento de limpieza, se deposita una capa a través de un recubrimiento giratorio.SnO₂Solución. PosteriormenteSnO₂Las películas se realizan en la atmósfera ambiente.200 °CTratamiento de recocido.

3.MeOBTBT-POEtConstrucción de la capa de plantilla: se recolocaráSnO₂ El sustrato se transfiere a la guantera. Se prepararáMeOBTBT-POEtLas moléculas se disuelven en clorobenceno(Clorobenceno, CB)En el disolvente. La molécula utilizada para la posterior aplicación rotativa de PerovskitaDMF/DMSOLa disolución en la mezcla de disolventes es extremadamente baja, asegurando que los pasos posteriores no destruyan lo que se ha formadoMeOBTBT-POEtCapa. Posteriormente,MeOBTBT-POEtLa solución se aplica rotativamente.SnO₂ Superficie de la capa de transmisión electrónica. El estudio encontró que esta molécula pasa por la interfazAutoensamblajeDe la manera y a través deSólido-Proceso de transformación de fase sólida, formando unPlantilla supermolecular altamente ordenada. incluso a temperatura ambiente, sus débiles interacciones intermoleculares favorecen la formación de estructuras ordenadas. A través del calentamiento (por ejemplo60 °C) puede acelerar este proceso de Transición de fase.

4.Depósito de mineral de calcio y titanio y cristalización inducida por plantilla: preparar una solución precursor de Perovskita de composición específica que contengaFAI,MABr,MACl,PbBr2,PbI2yCsI, disuelto enDMF/DMSOEn una mezcla de disolventes. Aplicar la solución precursora de Perovskita a la superficie modificadaMeOBTBT-POEtdeSnO₂En el sustrato. Después de la pintura giratoria, en un ambiente de humedad controlada(20%-30% RH)Tratamiento de recocido bajo(100 °C). En este proceso, se ha formadoMeOBTBT-POEtLa plantilla supermolecular servirá como"Plantilla impulsada por cristalización de perovskita"Inducir cristales de Perovskita en una dirección específica(altamente preferido hacia el plano exterior(100)Dirección cristalina)Crecimiento y cristalización. El estudio también observó que,MeOBTBT-POEtMoléculas ySnO₂Presencia superficialInteracción química, sin coordinarSn2+Coordinar.

5.Depósito de capas funcionales posteriores: después de la formación de la capa de mineral de calcio y titanio, la muestra se transfiere de nuevo a la Caja de Mano. Recubrimiento rotativo secuencial de la capa de transporte de agujeros(BABr)yspiro-OMeTAD)Y se recolocan.

6.Preparación de electrodos metálicos: finalmente, mediante evaporación térmica, se deposita una capa80 nmElectrodos de oro gruesos para completar la preparación de dispositivos de batería.

Figura 1b

Caracterización de los resultados de la investigación

Eficiencia cuántica externa de Electroluminiscencia(EQEEL)División con el orden de cuasi - Fermi(QFLS)analizar

Utilizado por el equipo de investigaciónEnlitech LQ-100Sistema de medición de rendimiento cuántico fotoluminiscente, registrar la eficiencia cuántica externa de la Electroluminiscencia(EL EQE)Espectro. Basado en igual aJSCBajo la densidad de corriente de inyección deEQEELCalcular el valor causado por la combinación no radianteCOVPérdidas. Según el rendimiento cuántico de fotoluminiscencia(PLQY)Y el límite de radiación abre el voltaje(COV, rad)Análisis de muestras semiestructurales de PerovskitaQFLS.COV, radDel dispositivoEQEEl espectro se calcula a través de un modelo de equilibrio detallado.

ImagenS27:EQEELCurva.

Imagen4D:PLQYvalor

Imagen4e:QFLSValor y ΔCOV, rad- QFLS)Valor.

OptimizadoBIMDispositivosMostrarEQEELAumento significativo(10.29%), muy por encima del dispositivo de control(2.73%). Esto indica pérdidas compuestas no radiantes()ΔCOV, número = 58,8 mV)Disminución significativa, conJ-VMedidoCOVLas diferencias son consistentes. La semiestructura modificada de Perovskita muestra una mayorPLQY(27.06% vs 9.09%)Esto es crucial para lograr un alto voltaje óptico.QFLSEl análisis muestraBIMPérdida de energía del dispositivo△(COV, rad-QFLS)Reducción sustancial(desde62mVA34 meV).Estos resultados, en conjunto, muestran un nivel ultra bajoCOVLas pérdidas se atribuyen principalmente aSnO₂Eliminación efectiva de la combinación no radiante en la interfaz enterrada con Perovskita.

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Densidad de corriente-voltaje(J-V)Curva característica y eficiencia cuántica externa(EQE)Espectro

Utilizado por el equipo de investigaciónEnlitechdeSS-X AM1.5GSimulador de luz solar estándarLlevar a caboJ-VMedición de la curva, yQE-RSistema de medición de eficiencia cuánticaMedir la eficiencia cuántica externa(EQE)Espectro. Dispositivos de medición con medidores de fuenteJ-VCurva. Se realizan escaneos positivos y inversos para evaluar el efecto retardado. usarEQEEl dispositivo de medición del sistema está en300-850 nmRespuesta espectral en el rango de longitud de onda.

Imagen4a:J-VCurva(Densidad de corrientecontravoltaje(...).

Imagen4b:EQEEspectro(EQE)porcentajecontraLongitud de onda(...).

Tabla 1:Una tabla que resume los parámetros fotovoltaicos.

ClásicosMeOBTBT-POEtModificadoBIMEl dispositivo muestra un rendimiento fotovoltaico significativamente mejor que el dispositivo de control, que se refleja en un rendimiento más alto.PCE (25,34% vs 22,81%),COV (1.23V vs 1.197V)yFF(82.28% vs 75.99%).JSCyEQELos resultados de los puntos son consistentes.EQEEl espectro refleja la eficiencia de respuesta del dispositivo a diferentes longitudes de onda. OptimizadoBIMEl dispositivo muestra el más pequeñoJ-VEfecto retardado. Estos gráficos y datos demuestran que la modificación de la interfaz enterrada mejora significativamente la eficiencia de conversión y reduce los dispositivos.COVEvidencia directa de pérdida.

XEspectrómetro de difracción de rayos X(XRD)/Incidencia de pastoreo de gran ánguloXDispersión de rayos(GIWAXS)

MonitoreoMeOBTBT-POEtEvolución de la estructura cristalina durante el recocido térmico, análisisMeOBTBT-POEtEnSnO₂Las propiedades cristalinas y la orientación de las películas de Perovskita se analizan.A través de una variedad de técnicas de caracterización estructural,Equipo de investigaciónConfirmadoMeOBTBT-POEtEnSnO₂/.La interfaz enterrada de Perovskita puede formar una estructura cristalina específica e inducir eficazmente el crecimiento de orientación prioritaria de la perovskita. (foto1b, mapa2a, mapaS17(...)

XEspectro fotoelectrónico de rayos X(XPS)

研究MeOBTBT-POEtySnO₂Entre yMeOBTBT-POEtEl entorno químico y la interacción con la Perovskita verifican el efecto de pasivación de la interfaz.XPSLos resultados confirmaron de manera integral.MeOBTBT-POEtNo solo conSnO₂ La acción química también se coordina fuertemente con el mineral de calcio y titanio, y luegoPasivado efectivoSnO₂ Vacantes de oxígeno en y sin coordinación en PerovskitaPb2+Defectos.(Imagen3a, b, c)

Espectro de energía electrónica ultravioleta(UPS)

Evaluación de la interfaz electrónica selectiva(SnO₂/.Perovskita(...)Estructura de la banda de energía, mediciónSnO₂Después de la modificaciónSnO₂Y la función de trabajo de las películas de Perovskita(Función de trabajo)Y la posición del nivel de energía(Como la parte superior de la banda de preciosEVBM,Fondo de la banda guíaBCM).MeOBTBT-POEtModificar a través de su momento dipolo negativo hacia adentro para queSnO₂ La Carta de mérito se desvía hacia arriba,Promueve en gran medida la extracción y transmisión electrónica en la interfaz.(Imagen3d, e)

Fotoluminiscencia resuelta en el tiempo(trpl)

Se estudia la dinámica de transferencia de carga de la interfaz y se evalúa la eficiencia de la extracción de carga midiendo la vida útil del portador. Creciendo enMeOBTBT-POEtModificadoSnO₂ Las películas de Perovskita en ellas muestran una vida media de carga más corta(183.9 ns vs 381.7 ns), lo que indicaLos electrones van desde el depósito de calcio y titanioSnO₂ETLLa extracción y transmisión es más eficiente.(Imagen3f)

Nanoespectro de conducción térmica(TAS)Y el espacio de tensión de pulso limita la corriente(PV-SCLC)

Estimación cuantitativa de la densidad del Estado de trampa(Ntrap)Y su distribución en el nivel de energía, evaluando el efecto de inhibición de la modificación de la interfaz en los Estados defectuosos. Resultados de varias caracterizaciones, confirmados unánimemente MeOBTBT-POEtLa modificación reduce efectivamente la densidad de Estados de trampa en la interfaz.(Especialmente los defectos de nivel profundo(...)A su vez, inhibe fuertemente la recombinación no radiante.(Imagen4f )

Prueba de estabilidad operativa a largo plazo

Verificar directamente la estabilidad a largo plazo de las células solares de Perovskita modificadas por la interfaz en un entorno simulado riguroso.En condiciones de pruebaT92Vida útil superior 1200 Horas.(Imagen4g)

conclusión

El equipo de investigación desarrolló y aplicó con éxito una estrategia de regulación de interfaz enterrada basada en plantillas de ensamblaje supermolecular.SnO₂ Capa de transmisión electrónica(ETL)Introducción de derivados anfifílicos de fosfonato entre la capa de calcio y titanioMeOBTBT-POEtEsto mejora significativamente el rendimiento y la estabilidad a largo plazo de las células solares de perovskita.

1.MeOBTBT-POEtEvolución estructural y Acción de plantilla: hallazgos del estudioMeOBTBT-POEtLas moléculas pueden estar enSnO₂Superficie a través de la fijación-La transformación de fase sólida realiza el ensamblaje supermolecular y formaUna estructura casi monocristalina ordenada y densa. Este proceso de Autoensamblaje sirve como plantilla cristalina,Inducción exitosa de cristales de Perovskita con alta prioridad a lo largo de la dirección fuera de la superficie(100)Crecimiento orientadoEsto favorece la transmisión vertical de transportistas en el dispositivo.DFTConfirmación del cálculoMeOBTBT-POEtCon Perovskita(100)La interacción de la superficie cristalina es(100)El crecimiento de orientación prioritaria proporciona una fuerza motriz termodinámica adicional.

2.Pasivación efectiva de defectos de interfaz:XPSLos resultados demuestran fuertementeMeOBTBT-POEtNo solo el éxito existe enSnO₂Superficie, tambiénySnO₂Se ha producido una fuerte coordinación con el mineral de calcio y titanio.. Esta interacción pasiva efectivamenteSnO₂Vacantes de oxígeno en(Se manifiesta como inhibiciónSn-OHPico(...)Sin coordinación con PerovskitaPb2+Otros defectos inherentes reducen significativamente la densidad de defectos de la interfaz.

3.Optimización de la disposición de la banda y promoción de la extracción de transportistas:MeOBTBT-POEtLas moléculas tienen momentos dipolos obvios(1,89 D), causado por su momento dipolo negativo hacia adentroSnO₂Desplazamiento ascendente de la función de servicio(desde4,16 eVMover a3,82 eV). Este desplazamiento de la banda energética reduce significativamente la relación entre Perovskita ySnO₂ETLExtracción electrónica entre/.Barrera de transmisión(desde0,24 eVBajar-0,03 eV)，Promueve en gran medida la transferencia y extracción de electrones en la interfaz.

4.Inhibición compuesta no radiante y mejora de la dinámica del portador:A travésSecuencia líderSe observó que la vida útil de los transportistas de las películas de Perovskita modificadas se acortó.(183.9 ns vs 381.7 ns)Muestra que la eficiencia de la extracción electrónica ha mejorado.TPVMuestra un tiempo de atenuación de voltaje más largo,TPCMuestra una mayor colección de transportistas no equilibrados y un tiempo de atenuación de corriente más corto, que apuntan a la transferencia efectiva de transportistas en la interfaz y menos compuestos asistidos por trampas.EQEELHa aumentado significativamente,PLQYHa aumentado considerablemente,QFLSEl análisis muestra una reducción significativa de la pérdida de energía.. Caracterización integral de defectos(SCLC),TAS,Mott-Schottky)Se confirma que la densidad del Estado de trampa, especialmente los defectos de nivel profundo de energía, se reducen significativamente y el potencial incorporado aumenta. estosPrueba de coherencia de los resultadosMeOBTBT-POEtLa modificación inhibe fuertemente la recombinación no radiante en la interfaz..

5.Mejora sustancial del rendimiento y la estabilidad del dispositivo:Gracias al efecto de regulación y control de la interfaz anterior, se utilizaMeOBTBT-POEtModificación de la interfaz enterradaPSCSe ha logrado hasta25,34%Eficiencia de conversión fotoeléctrica(PCE), tensión máxima de circuito abierto(COV)Alcanzar1,23 V,COVLas pérdidas son solo0,306 VCerca de los límites teóricos97,2%Además, la estrategia mejora significativamente la estabilidad a largo plazo del dispositivo, bajo un estricto estrés combinado de calor y humedad.(ISOS-L-3: MPP, 65)GradosC, 50% de humedad relativa),T92Vida útil superior1200 Horas.

Referencia documental de Advanced Materials doi: 10.1002 / adma.202418011

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