Dificultades y desafíos de la investigación

Brecha de energía ancha(Grupo de Trabajo)En la subclase, óxido de níquel como capa de transporte de agujeros(NiOx)Capas monomoleculares autoensambladas(SAM)El problema del contacto de interfaz entre ellos limita seriamente la eficiencia y estabilidad del dispositivo.

La tecnología existente tiene los siguientes desafíos principales:

·NiOxProblemas de corrosión:Tradicionalmente ampliamente utilizadoSAM, por ejemplo, que contiene ácido fosfórico(PA)Como grupo de anclajeSAM (PA-SAM), suácido fuerteFácil de corroer y químicamente reactivoNiOxCapas que dañaránNiOxLa integridad y la función de la capa debilitan a su vez la estabilidad del dispositivo.

·SAMAglomeración molecular y problemas de interfaz: TradiciónSAMLas moléculas estánNiOxLa superficie es propensa a ocurrirFenómeno de aglomeraciónLa formación desigual de películas puede causarPérdida de interfaz，Afecta la eficiencia de la transmisión de transportistasY causar notablesTensión de circuito abierto(COV)Pérdidas.

Equipo de investigación y logros

Este estudio innovador sobre células solares laminadas de Perovskita de alta eficiencia consta deGe Ziyi y Liu chang, Instituto de tecnología e ingeniería de materiales de ningbo, Academia China de CienciasLíder del equipo, publicado en las mejores revistas científicas internacionalesComunicaciones Naturaleza.

El equipo de investigación logró desarrollar un ácido débilFuncionalización del ácido bóricoSAM, no soloInhibición efectiva de laNiOxCorrosiónTambién puede formar una capa de interfaz más uniforme y con una mayor fuerza de unión, lo que mejora significativamente la eficiencia de las células solares apiladas de Perovskita completa y mejora en gran medida la estabilidad de funcionamiento a largo plazo del dispositivo.

ImagenS6: problemas originales resueltos (corrosión)

Los logros centrales de la investigación incluyen:

·ResolverNiOxProblemas de corrosión:Desarrollo exitosoCapa monomolecular autoensamblada con ácido débil(SAM), reducción significativa del óxido de níquel(NiOx)La corrosión de la capa de transporte de agujeros mejora la estabilidad de la interfaz.

·mejorarSAMCalidad de la formación de película:Nuevo tipoSAMMuestra una mayor fuerza de Unión de interfaz y características de formación de película más uniformes, superando efectivamente la tradición.SAMEl problema de la fácil aglomeración y la cobertura desigual de las moléculas,Reducir las pérdidas de la interfaz.

·Optimizar la calidad de las películas de perovskita:La interfaz mejorada promueve un crecimiento más uniforme de los cristales de perovskita, reduce los defectos y inhibe eficazmente la separación de fases causada por la luz, mejorando la calidad y estabilidad de la película.

·Mejora significativa de la eficiencia del dispositivo:Brecha de energía ancha de un solo nudo(Grupo de Trabajo)La eficiencia de la batería depende de18,9%Ascender a20,1%; células solares laminadas de Perovskita completa(TSC)La eficiencia es más alcanzable28,5%.

·Mejorar considerablemente la estabilidad operativa:Los resultados de la investigación han mejorado considerablemente la estabilidad del dispositivo, y las baterías apiladas de Perovskita están bajo luz continua. 500 Puede mantener la eficiencia inicial después de las horas.90%.

Pasos y procesos experimentales

Preparación de materiales y películas de interfaz: el equipo de investigación prepara una variedad de capas monomoleculares autoensambladas(SAM)Materiales y enITODeposición secuencial en vidrio conductorNiOxCapas ySAM, formarEsto / niox / SamsEstructura de película delgada. Preparación simultánea de la tradiciónSAMmaterial(comoMe-4PACzComo grupo de control. Después de la preparación de algunas muestras, se limpian con recubrimiento rotativo de etanol para eliminar las moléculas residuales.

Fabricación de células solares de unión única y brecha de energía ancha: preparadoITO/NiOx/SAMComo capa de transporte de agujeros, la película delgada de Perovskita de brecha de energía ancha se deposita por recubrimiento rotativo, y luego la capa de transporte electrónico se deposita en orden.(C60),ALD SnO2)Y electrodos de plata, completando la producción de baterías de brecha de energía ancha de un solo nudo.

Fabricación de células solares laminadas de Perovskita completa: integrar la célula de brecha de energía ancha con la célula de Perovskita de brecha de energía estrecha para construir una célula solar apilada de Perovskita completa de doble extremo. La estructura completa es:ITO/NiOx/SAM/Perovskita de amplia brecha energética/ C60 / SnO2 / Au / PEDOT: PSS /Perovskita de brecha energética estrecha/ C60 / BCP / Ag.

Evaluar la eficiencia de la batería: en condiciones de prueba estándar(1 sol, 100 mW/cm2)Abajo, medir la corriente de las baterías de unión única y laminados-Características de voltaje, evaluación de parámetros clave como la eficiencia de conversión fotoeléctrica, el voltaje de circuito abierto, la densidad de corriente de cortocircuito y el factor de llenado. El seguimiento de la salida de potencia en Estado estable y la medición de la eficiencia cuántica externa se realizan simultáneamente.

Realizar pruebas de estabilidad: prueba de seguimiento de iluminación continua del punto de potencia máxima de la batería apilada encapsulada, continua500Horas para evaluar la estabilidad operativa a largo plazo. Además85℃La prueba de envejecimiento por luz de alta temperatura verifica el rendimiento de estabilidad térmica de la batería.

Técnicas de caracterización y resultados

División del orden cuasi fermilano(QFLS)

Medir el voltaje máximo teórico de apertura del material bajo luz(iVOC)Indicadores que reflejan directamente el grado de pérdida compuesta no radiante. El estudio encontró que con películas de Perovskita puraQFLSEn comparación, el contacto con la tradiciónEl Me-4PACzPerovskita en la interfazQFLSSignificativamente reducido a1.296 eV, indicaComposición severa de la interfaz. uso de nuevos modelosS-BA-SAMDespués del tratamiento,QFLSSolo desde1.326 eVSe reduce ligeramente a1.322 eV, cerca del valor de la película pura, comoImagen5f. Certificación directaS-BA-SAMSe ha reducido drásticamenteNiOx/Pérdidas compuestas no radiantes en la interfaz de Perovskita.

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corriente eléctrica-voltaje(J-V)Características y salida de potencia en Estado estable(SPO)prueba

Medir el rendimiento de conversión fotoeléctrica de las células solares bajo luz estándar y evaluar la estabilidad del dispositivo. Criterios para llevar a caboJ-VLas pruebas deben utilizarse para cumplirAM1.5GSimulador de luz solar estándar espectral.EnlitechdeSS-XLa serie de simuladores de luz solar ha sido citada en varios documentos para proporcionar una iluminación altamente precisa y estable.

Imagen6cMuestra la batería secundaria y la batería apilada final.J-VCurva. Después de un nuevo tipoS-BA-SAMDespués de la optimización, la brecha de energía ancha(Grupo de Trabajo)La eficiencia de la batería se compara con la del Grupo control.18,9%Ascender a20,1%. La batería apilada de Perovskita ensamblada finalmente alcanzó el máximo 28,5% Eficiencia.

Imagen6dLa curva de salida de potencia en Estado estable muestra que el dispositivo está en continuo1 solRastreo de luz 500 Después de las horas, todavía se puede mantener la eficiencia inicial.90%Muestra una excelente estabilidad a largo plazo.

Eficiencia cuántica externa(EQE)

El equipo de investigación lo utilizóEnlitechdeREPSEl instrumento de medición se llevó a cabo.EQEMedición, la eficiencia de un dispositivo de medición para producir corriente eléctrica bajo diferentes longitudes de onda de luz, que se utiliza para analizar la respuesta del dispositivo a diferentes espectros y calcular la densidad teórica de corriente de cortocircuito.(JSC), yJ-VLos resultados de las pruebas se verifican mutuamente.

Imagen6ePresenta una batería apilada de Perovskita completa.EQELíneas espectrales que muestran baterías de brecha de energía ancha en áreas de longitud de onda corta (aproximadamente300-750 nm) y brecha energética estrecha(NBG)Las subclases están en la zona de longitud de onda larga (aproximadamente650-900 nm) Eficiencia cuántica efectiva. desdeEQESubclase calculada por puntosJSCvalor(16.0y16,2 mA cm^-2(...)yJ-VLos resultados de la prueba coinciden bien y confirman la precisión de los datos de rendimiento.

Eficiencia cuántica fotoluminiscente(PLQY)

La eficiencia que refleja la combinación de radiación de materiales o películas está negativamente relacionada con la pérdida de combinación de no radiación.

ImagenS54:NiOx/Me-4PACz/De muestras de PerovskitaPLQYSignificativamente por debajo de la película de Perovskita pura, confirmada nuevamenteComposición severa de la interfaz. yNiOx/S-BA-SAM/Las muestras de Perovskita muestran una mayorPLQY (0,247%), yQFLSLos resultados son consistentes,Demostrar un nuevo tipoSAMInhibe efectivamente la composición de la interfaz.

Microscopía de fuerza atómica(KPFM)

Medir la diferencia de potencial eléctrico de la superficie(CPD)Se analizan la disposición del nivel de energía, la uniformidad y la distribución de defectos de la función de trabajo del material y la interfaz.

Imagen1h-o:NiOx / SAMSuperficieKPFMImágenes yCPDEl mapa de distribución muestra,S-BA-SAMProcesadoNiOxSuperficieCPDLa distribución es más estrecha, lo que indicaSAMLa capa es más uniforme.

Imagen4a-e:Interfaz de enterramiento de PerovskitaKPFMEl análisis también muestraS-BA-SAMInterfaz procesadaCPDDistribuciónFWHMEs más estrecho y el cambio del potencial eléctrico es pequeño después del envejecimiento de la luz, lo que indica que la interfaz es más uniforme y estable.

XEspectro fotoelectrónico(XPS)

Análisis de la composición de los elementos superficiales y los Estados químicos de los materiales, especialmente para la investigaciónSAMyNiOxInteracción entre yNiOxCambios químicos.

Imagen1 gramo:Ni 2p3/2 XPSLa Línea espectral muestra,S-BA-SAMProcesadoNiOxEn comparaciónEl Me-4PACzEl Pico tratado se desvía hacia la baja energía de unión, lo que indica queS-BA-SAMyNiOxHay una mayor transferencia de carga e interacción entre ellos.

Incidencia del ángulo de pastoreoXDesviación de rayos(GIXRD) /Gran angularXDispersión de rayos(GIWAXS)

Se analizan la estructura cristalina, la orientación del grano y el estrés de la película.

Imagen3i-k:GIWAXSEl espectro muestra que la película del Grupo de control presenta una división del pico de difracción causada por la distorsión de la red, mientras queS-BA-SAMLa película no tiene este fenómeno, lo que indica que el estrés es menor,S-BA-SAMFavorece una mejor formación de películas de Perovskita(100)Orientación, que favorece la transmisión de transportistas.

Espectro de emisión de plasma acoplado inductivamente(ICP-OES)

Medir el contenido de elementos metálicos en la solución para la evaluaciónSAMCorrectoNiOxGrado de corrosión de la película.

ImagenS6: seráEsto / nioxLa película está empapada en diferentesSAMDespués de la solución, useS-BA-SAMContenido de níquel liberado por la película empapada en solución(29 ug/L)Muy por debajo del usoEl Me-4PACzPelícula de solución(87 ug/L)Que confirma directamente el nuevo tipoS-BA-SAMSignificativamente aliviadoNiOxAcción corrosiva de la capa.

Teoría funcional de densidad(DFT)Y Dinámica molecular(MD)simulación

Comprensión profundaSAMMoléculas yNiOxMecanismos de adsorción, energía de unión, distribución de carga, niveles de energía ySAMComportamiento Molecular durante la formación.

Imagen1a-f:DFTCalculadoSAMLas moléculas estánNiOxConfiguración de adsorción, densidad de carga diferencial y función de localización electrónica de la superficie (incluida la superficie vacía de oxígeno)(ELF)Foto. Los resultados del cálculo muestran queS-BAyNiOxHay una mayor energía de unión entre ellos, especialmente el Grupo de cabeza de benzotiofeno yNiHay interacciones adicionales entre ellos. ImagenS1644deMDLa simulación, por su parte, muestraSAMDistribución uniforme de moléculas en la superficieUniformidad, que en teoría apoya el nuevo tipoSAMHipótesis que ayudan a formar una película uniforme.

Otras caracterizaciones

·Microscopio electrónico de barrido(SEM): Observar la morfología de la superficie de la película delgada y la sección transversal del dispositivo, y evaluar el tamaño del grano, la forma, los defectos y los cambios morfológicos después del Envejecimiento.(foto6b, mapa3e-h(...)

·Distribución de fotoluminiscencia(Mapeo PL): Proporcionar películaPLLa distribución espacial de la intensidad muestra intuitivamente la uniformidad de la película y el área de defectos.(en la imagenS50(...)

·Fotoluminiscencia analítica en el tiempo(trpl): Medir la vida útil de los transportistas fotogénicos, reflejando la velocidad compuesta de la fase corporal o la interfaz.S-BA-SAMLa película tratada tiene una vida útil más larga de los transportistas..(foto5j(...)

·Espectro de energía electrónica ultravioleta(UPS): La determinación de la función de trabajo y la posición del nivel de energía del material ayuda a construir un mapa del nivel de energía y comprender la transmisión de carga eléctrica.(foto4f(...)

·La carga espacial limita la corriente(SCLC)Análisis: Evaluar la movilidad y densidad de los transportistas en la capa de transporte de agujeros,S-BA-SAMDespués del tratamiento, la densidad de agujeros se redujo.(fotoS39(...)

·Espectro de resistencia electroquímica(EIS): Se analizan la transmisión de carga eléctrica y la resistencia compuesta dentro del dispositivo.S-BA-SAMEl dispositivo muestra una mayor resistencia compuesta.(foto5i(...)

·Medición del ángulo de contacto: Evaluar la presencia de precursores de Perovskita enSAMLa humectabilidad de la superficie tratada afecta la formación de núcleos y el crecimiento de la película.(fotoS34(...)

·In situ(In situ) UV-VisEspectro de absorción yPLEspectro: Monitorear la dinámica de formación de núcleos y cristalización de películas de Perovskita durante el proceso de recubrimiento giratorio(foto2b y c(...).

·Espectrometría de masas de iones secundarios en tiempo de vuelo(TOF-SIMS): Se analiza la distribución profunda de los elementos en la estructura del dispositivo para estudiar la migración de los elementos durante el envejecimiento de la luz.(fotoS33(...)

·Espectro infrarrojo de transformación de Ft(FTIR): analizarSAMMoléculas y precursores de PerovskitaFAIInteracción entre moléculas(en la imagen2a(...).

conclusión

El equipo de investigación desarrolló unNueva capa monomolecular de Autoensamblaje funcional de ácido bórico ácido débil(S-BA-SAM)Para mejorar las células solares laminadas de Perovskita completa, las células solares de brecha de energía anchaNiOxInterfaz de la capa de transmisión de la cueva.

Los principales resultados de la investigación son los siguientes:

Mejora de la estabilidad de la interfaz:S-BA-SAMyNiOxFormar una Unión sólida, efectivaInhibiciónNiOxCorrosión, el rendimiento es mejor que el Grupo fosfórico tradicionalSAMY promoverNiOxSuperficialFormación uniforme de películaMejorar la forma y cobertura de la interfaz.

Optimización de la calidad de la película:La mejora de la interfaz optimiza significativamente el proceso de cristalización de las películas de Perovskita y promueveDistribución homogénea de halógenosYSupresión de la separación fotofotográficaMejorar en gran medida la calidad de la película y la estabilidad óptica.

Mejora de la transmisión de transportistas:Las características de interfaz optimizadas aceleran la transmisión de transportistas,Reducir las pérdidas compuestas no radiantesProlonga efectivamente la vida útil del portador.

La eficiencia ha mejorado significativamente:Con una batería de unión única de gran brecha de energía que optimiza la capa de interfaz, la eficiencia de conversión fotoeléctrica varía de18,9%Ascender a20,1%. las células solares apiladas en ambos extremos integradas son aún más récord28,5% PCEExcelente récord.

Estabilidad a largo plazo:Gracias a la brecha de energía anchade la bateríamejorar, apiladoExhibición de dispositivosEstabilidad operativa, en1 solRastreo de puntos de potencia máxima500Horas después,Mantener la eficiencia inicial90%arriba.

Referencias documentales desde Nature Communications doi: 10.1038 / s41467 - 025 - 59.515 - 6

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