Antecedentes de la investigación y puntos difíciles

Aunque las células solares de Perovskita se están desarrollando rápidamente, susEl voltaje de apertura todavía está significativamente por detrás de la teoría.de Shockley-QueisserLímiteSe ha convertido en un cuello de botella clave para mejorar la eficiencia de las restricciones. Las principales causas de la pérdida de voltaje incluyen:Desajuste de la capa de energía y composición excesiva no radiativa en la interfaz clave. especialmente en las estructuras tradicionales,SnO2Sin coordinación en la superficie de la capa de transmisión electrónicaSn2+ (Sn-OH)Formación de sitios de trampa poco profundosEsto daña gravemente la eficiencia de la transmisión electrónica. Estos defectos de interfaz no solo reducen el rendimiento del dispositivo, sino que también aceleran la degradación de la Perovskita en entornos calientes y húmedos, lo que resulta en una estabilidad operativa insuficiente a largo plazo.

Equipo de investigación y resultados importantes

Este innovador estudio fue realizado porProfesor Li Gang de la Universidad Politécnica de Hong Kong(Gang Li) ,Kuan LiuProfesores yJinyao Tang教授Liderado conjuntamente por la Universidad de Ciencia y tecnología de Hong kong, Guangzhou yMILLAS HKU-SIRIColaboración de académicos, publicada en revistas".Materiales avanzadosLibro，EnSnO2/La interfaz enterrada de Perovskita construyó con éxito un derivado de fosfonato anfibio autoensamblado.MeOBTBT-POEt) como plantilla impulsada por la cristalización de Perovskita. su enfoque innovador no soloEl crecimiento de los cristales de Perovskita se regula con precisión., pero también de manera efectivaPasibilización de defectos de interfaz y optimización de la alineación de niveles de energíaQue se ha resuelto fundamentalmenteCOVEl problema de las pérdidas.

Resumen de los resultados clave de la investigación

Avance del rendimiento del dispositivo y pérdida de tensión ultra baja:El equipo de investigación logró convertir las células solares de Perovskita(PSC)deEl voltaje de apertura aumenta a1,23 VLa pérdida de voltaje solo0,306 V，Alcanzar los límites teóricos97,2%- -Este es un valor de pérdida extremadamente bajo en todos los sistemas de perovskita. El dispositivo se ha logrado25,34%Eficiencia de conversión de potenciaDespués de la prueba del simulador de luz solar estándar,J-VLa curva no tiene un efecto retardado obvio.

Estabilidad a largo plazo:En condiciones de prueba estrictas..65°C、50%Humedad relativa,PSCdeT92Vida útil superior1200horaMejora significativamente la estabilidad operativa a largo plazo en entornos calientes y húmedos.

Control preciso de la orientación cristalina:MeOBTBT-POEtLas plantillas forman estructuras supermoleculares altamente direccionales a través del autoensamblaje.Inducir la formación de Perovskita altamente preferida(100)Dirección cristalina.GIWAXSLas pruebas confirman esta orientación de optimización,DFTCalcular la plantilla de visualización y(100)La energía de Unión de la superficie cristalina es tan alta como-0,94 eV.

Pasivación de defectos de interfaz de alta eficiencia y alineación de niveles de energía:MeOBTBT-POEtMoléculasPasivación activaSnO2Vacantes de oxígeno y en PerovskitaPb2+defectoSu momento dipolo alto(1,89 D)Coordinar la alineación del nivel de energía de la interfaz y extraer la barrera de energía de los electrones0,24 eVBajar-0,03 eV.XPSLos resultados confirmaron una fuerte interacción de coordinación.PV-SCLCLa medición muestra que la densidad del Estado de trampa varía de1,02 × 10,16Bajar0,66 × 10 ^ 16 cm ^ -3.

Optimización de la dinámica del portador:Esta estrategia inhibe significativamente la combinación no radiante y logra pérdidas de voltaje ultra bajas. Las manifestaciones clave incluyen:

• Eficiencia cuántica externa de Electroluminiscencia(elecciones)desde2,73%Ascender a10,29%Pérdida de tensión no radiada de93,1 mVBajar58,8 mV

• Rendimiento cuántico fotoluminiscente(PLQY)desde9,09%Ascender a27,06%

• División del nivel de energía cuasifemi(QFLS)El análisis muestra que la pérdida de energía62 mVBajar34 mV

• Secuencia líderLas mediciones confirman la mejora de la eficiencia de la extracción electrónica,TPV / TPCLa medición confirma que la combinación de transportistas se reduce y la eficiencia de transmisión se mejora.

Pasos y procesos experimentales

Figura S1

1.Síntesis exitosa de moléculas reguladoras de interfaz claveMeOBTBT-POEt

El equipo de investigación sintetizó con éxito derivados anfifílicos del fosfonatoMeOBTBT-POEt, la molécula está compuesta por benzotiofeno rígido[3,2-b]Benzotiofeno(BTBT)El esqueleto y la cola de alquilo de fosfonato flexible están compuestos por excelentes características de autoensamblaje.

2.verificaciónMeOBTBT-POEtCaracterísticas y estabilidad del Autoensamblaje

Obtenido por evaporación de disolventeMeOBTBT-POEtMonocristalino y análisis de datos cristalográficos.Análisis termogravimétrico(TGA)Evaluar la estabilidad térmica，Método térmico de escaneo diferencial(DSC)Verificar las características de montaje de supermolecular a temperatura ambiente.In situXDifractividad de rayos X(XRD)EspectroMonitorear la evolución de la estructura cristalina de la película durante el recocido térmico y confirmar que la molécula puede ensamblarse espontáneamente a temperatura ambiente para formar una plantilla morfológica monocristalina bidimensional altamente ordenada.

3.Establecer una base teórica para la interacción entre moléculas y superficies cristalinas de Perovskita

AplicaciónTeoría funcional de densidad(DFT)cálculoEvaluaciónMeOBTBT-POEtyFAPbI3Perovskita en diferentes superficies cristalinas((100)、(110)、(111))Interacción con(100)La superficie cristalina interactúa. aprobadoDFTCalcular el potencial electrostático(ESP)Evaluar el momento dipolo molecular y demostrar su potencial de modificación de la interfaz.

4.Preparación de células solares de Perovskita de alto rendimiento

De acuerdo con los estándaresn-i-pestructura(FTO/SnO2/MeOBTBT-POEt/Perovskita/ spiro-OMeTAD / Au)Dispositivos de preparación:

1. Sustrato ySnO2 ETLPreparación:Implementación libreLimpieza de vidrio y rayos ultravioleta-Después del tratamiento con ozono, la pintura giratoriaSnO2Solución,200°CRecolocación60Min

2. MeOBTBT-POEtModificación de la interfaz: diferentes concentraciones en la guanteraMeOBTBT-POEtLa solución de clorobenceno se aplica rotativamente.SnO2 ETLarriba

3. Depósito de mineral de calcio y titanio: preparaciónCs0.03 (FA0.97MA0.03) 0.97Pb (I0.97Br0.03) 3Solución precursora(Brecha de banda~ 1,53 eV)Después de la pintura giratoriaHumedad controlada(20-30% de humedad relativa)En el medio ambiente100°CRecolocación60Min

4. HTLPreparación con electrodos: recubrimiento giratorio a su vezBABryspiro-OMeTADSolución,100°CRecolocación10Min, depósito por evaporación térmica final80 nmGruesoAuElectrodos

Figura 1a

Técnicas de caracterización y resultados

División del nivel de energía cuasifemi(QFLS)Eficiencia cuántica de fotoluminiscencia(PLQY)Caracterización y resultados

PLQYEs un indicador del comportamiento de las células solares en condiciones de circuito abierto,PLEs esencial para lograr un voltaje óptico más alto.QFLSEl análisis se utiliza para profundizar en la combinación de carga eléctrica yV_OCMecanismo de pérdida. mediciónSnO2/Intensidad de fotoluminiscencia de muestras semiclasificadas de Perovskita y de acuerdo con la fórmulaQFLS = qV_OC, rad + k_BEl Tln(PLQY)Calcular la División del nivel de energía cuasi - fermi. ClásicosMeOBTBT-POEtModificadoSnO2/Muestra semiapilada de PerovskitaPLQYMejora significativa, desde9,09%Aumentar a27,06%. pérdidas de energía correspondientesΔ(V_OC,rad - QFLS)desde62 mVReducido drásticamente a34 mV.QFLSEl análisis confirma que,Ultra bajoV_OCLas pérdidas se atribuyen principalmente aSnO2/Eliminación efectiva de la combinación no radiante en la interfaz enterrada de Perovskita.

Imagen4DMuestra si hay o noMeOBTBT-POEtModificadoSnO2/Eficiencia cuántica de fotoluminiscencia de muestras semiclasificadas de perovskita..PLQY).

Imagen4eSe muestran los grupos de control yBIMDivisión del nivel de energía cuasi Fermi de los componentes del grupo..QFLS) Resultados del análisis.

TablaS5ResumenV_OCAnálisis de pérdidas.

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corriente eléctrica-Tensión..J-V) curva

En el estándarAM 1,5 GBajo iluminación, usoEnliTechdeSS-XSimulador de luz solarMedición, escaneo hacia adelante y hacia atrás(1.25A-0,2 V)Evaluar el efecto retardado, el tiempo de retraso100 ms, área de prueba0,04 cm2.

Modificación de la interfaz enterrada(BIM)El rendimiento de las células solares de Perovskita ha mejorado significativamente.La eficiencia máxima de conversión de potencia alcanza25,34%, tensión de circuito abierto1,23 V, densidad de corriente de cortocircuito25,10 mA cm^-2, factor de llenado82,28%. dispositivos del Grupo de controlPCEpara22,81%, tensión de circuito abierto1,197 V, densidad de corriente de cortocircuito25,08 mA cm^-2, factor de llenado75,99%.

Para la brecha de banda1.536 eVPerovskita,Pérdida de tensión solo0,306 VAlcanzar la teoríade Shockley-QueisserLímite97,2%.J-VVisualización de mediciónNo hay efecto retardado obvio.

Imagen4a:Grupo de control que muestra el mejor rendimiento..Control) y modificación de interfaz enterrada..BIM) de componentesJ-VCurva.

Tabla1 Se resumen sus características fotovoltaicas.

Eficiencia cuántica externa..EQE) espectro

usarEnlitech QE-RsistemaFotones de dispositivos de medición a diferentes longitudes de onda-Eficiencia de conversión electrónica, con210 HzLuz monocromática cortada, rango de longitud de onda300-850 nm. La densidad de corriente de cortocircuito se mantiene constante en aproximadamente25,1 mA cm^-2, yEQELos valores integrales espectrales son altamente consistentes.(ErrorMenos del 1%). aprobadoEQEEl primer cálculo diferencial del espectro obtieneFABrecha de banda fotovoltaica de Perovskita a base(E_gPV)Aproximadamente1.536 eV.

Imagen4bSe muestran los grupos de control yBIMDe componentes de grupoEQEEspectro.

ImagenS26Muestra aún másEQEEl primer diferencial del espectro para determinar la brecha de banda fotovoltaica.

Eficiencia cuántica externa de la ElectroluminiscenciaEQEEL

Las células solares cuantitativas de Perovskita actúan como un sesgo positivo.ledPérdidas compuestas no radiantes durante la operación, para análisisV_OCMecanismo de pérdida. usarEnliTech LQ-100Sistema de medición de la eficiencia cuántica fotoluminiscenteHacer mediciones.BIMComponentes en25,1 mA cm^-2Bajo corriente inyectadaEQE_ELAumentó significativamente a10,29%, muy por encimaDel grupo control2,73%. correspondienteLas pérdidas compuestas no radiantes provienen de93,1 mVReducido drásticamente a58,8 mV, yJ-VEn la pruebaV_OCLos resultados de la mejora son consistentes, lo que demuestra la Estrategia.Inhibición efectivaSnO2/Compuesto no radiante de la interfaz enterrada de PerovskitaEsto es lograr un nivel ultra bajoV_OCEl mecanismo clave de la pérdida.

ImagenS27MuestraEQE_ELComo función de la densidad de corriente de inyección, para el Grupo de control yBIMComponentes de grupo.

Prueba de estabilidad operativa a largo plazo..ISOS-L-3(...)

Evaluar la estabilidad operativa a largo plazo de las células solares de Perovskita bajo tensión térmica y humedad y medir la viabilidad comercial de los dispositivos. ClásicosBIMLos dispositivos procesados están en65°Coperación1228Horas después, sigue siendo inicialPCEde92%arribaSignificativamente mejor que el Grupo de control. Esta mayor estabilidad se atribuye a la eliminación efectiva de defectos poco profundos y a la resistencia a la humedad.

Imagen4gSe muestra enISOS-L-3Grupo de control en condiciones yBIMResultados de la prueba de estabilidad operativa a largo plazo de los componentes del grupo.

Otras caracterizaciones

• XEspectro fotoelectrónico de rayos XXPS):研究SnO₂Capa de transmisión electrónica..ETL) el entorno químico y la interacción de la interfaz enterrada con la perovskita.ConfirmadoSnO₂Vacantes de oxígeno medio y sin coordinación en PerovskitaPb^{2- sí.}Efecto de pasivación espontánea del defecto. (foto3a,b,c(...)

·Espectro de energía electrónica ultravioletaUPS):Evaluar la estructura de la banda de energía en la interfaz electrónica selectiva. ClásicosMeOBTBT-POEtDespués de la modificación,SnO₂La función de trabajo de4,16 eVSubir a3,82 eV, la extracción electrónica puede separarse de0,24 eVBajar-0,03 eV.(foto3D,e(...)

·Fotoluminiscencia resuelta en el tiempoSecuencia líder):Se estudia la dinámica de transferencia de carga en la interfaz y la eficiencia de la separación y extracción de carga. Después de la modificación, la vida útil del portador de Perovskita es de381,7 nsAcortar a183,9 nsSe confirma que la eficiencia de la extracción electrónica ha mejorado.(foto3f(...)

·Incidencia de pastoreo de gran ánguloXDispersión de rayos..GIWAXS):Se analiza la orientación cristalina de las películas de perovskita. Perovskita modificada(100)La superficie cristalina está altamente concentrada a lo largo de la dirección fuera de la superficie para lograr un crecimiento orientado preferido.(foto2b,c(...)

·Teoría funcional de densidad (dft)DFT) cálculo:Se estima la intensidad de la interacción entre las moléculas y las diferentes superficies cristalinas de la perovskita.MeOBTBT-POEty(100)Unión de superficie cristalina(-0,94 eV), el momento dipolo molecular es1,89 D.(foto2d,e(...)

• XDifracción de rayosXRD) espectro:Monitorear la evolución de la estructura cristalina y la orientación de la Perovskita de las películas moleculares. In situXRDConfirmado sólido-Proceso de transformación de fase sólida, después de la modificación(100)/(111)La relación de intensidad pico5.87Aumentar8.65.(foto1b(...)

·Microscopio electrónico de barrido (sem)SEM):Se observaron las características morfológicas de las películas de perovskita. El gran tamaño de la región cristalina de Perovskita modificada se debe al proceso de cristalización retardada en la superficie hidrofóbica.(fotoS18(...)

·Intensidad de la luz-Relación de tensión de circuito abierto:Determinar el factor ideal del dispositivo y el mecanismo de composición.BIMEl factor ideal del dispositivo cae1.12(grupo de control1.38), el comportamiento de recombinación de carga está más cerca del Estado ideal.(fotoS29(...)

·Tensión óptica instantánea/.FotocorrienteTPV / TPC):Se revela la dinámica de recombinación y transferencia de transportistas.TPVEl tiempo de atenuación comienza61,87 μsExtendido a133,34 μs,TPCEl tiempo de atenuación comienza0,86 μsAcortar a0,73 μs.(fotoS30(...)

·Tensión de pulso-La carga espacial limita la corriente eléctrica..PV-SCLC):Se estima la densidad de trampas electrónicas en la perovskita. La densidad del Estado de trampa es de1,02 × 10¹⁶ cm^-3Bajar0,66 × 10¹⁶cm^-3Reducir significativamente el Estado de trampa.(fotoS31(...)

·Mott-Análisis Schottky y nanoespectros termoconductores..TAS):Estimar cuantitativamente la distribución del nivel de energía y el voltaje incorporado del Estado de trampa. Tensión incorporada desde1,06 VAscender a1,10 VLa densidad de los Estados de trampa de nivel profundo se reduce en un orden de magnitud.(foto4f,S32(...)

conclusión

El estudio se desarrolló con éxitoEstrategia de regulación y control de la interfaz enterrada, con AutoensamblajeDerivados del fosfato anfotéricoMeOBTBT-POEtEnSnO₂/.La construcción de una plantilla impulsada por cristalización en la interfaz de Perovskita mejora significativamente el rendimiento de las células solares de perovskita.

·Rendimiento del dispositivo:Implementación del equipo de investigación25,34%Eficiencia de conversión de potencia y1,23 VTensión de circuito abierto, para1.536 eVPerovskita con brecha de banda, la pérdida de voltaje es solo0,306 V，Alcanzar el límite teórico97,2%.

·Regulación precisa de la cristalización y optimización de transportistas:Plantilla supermolecular de alta orientaciónInducción de la formación prioritaria de Perovskita(100)Orientación fuera de la cara, promover la transmisión de carga vertical.MeOBTBT-POEtde1,89 DEl momento dipolo coordina la alineación del nivel de energía de la interfaz,Extracción electrónica de energía0,24 eVBajar-0,03 eVLa vida útil del portador es de381,7 nsAcortar a183,9 ns.

·Pasivación de defectos de interfaz de alta eficiencia: la EstrategiaPasivación activaSnO₂Vacantes de oxígeno y PerovskitaPb^{2- sí.}defectoInhibir significativamente la combinación no radiante. La eficiencia cuántica externa de la Electroluminiscencia es de2,73%Ascender a10,29%La eficiencia cuántica de la fotoluminiscencia comienza con9,09%Aumentar27,06%La densidad del Estado de trampa es de1,02 × 10¹⁶Bajar0,66 × 10¹⁶cm^-3.

·Excelente estabilidad a largo plazo:En caliente(65°C)Y la humedad(50% de humedad relativa)Condiciones, dispositivosEl T₉₂Vida útil superior1200horaSe atribuye a una eliminación efectiva de defectos y una excelente resistencia a la humedad.

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

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