Logros y aspectos destacados de la investigación

Para la investigación de optimización de la interfaz enterrada en las células solares de perovskita,Profesores Chen Wei y Liu zonghao de la Universidad de Ciencia y tecnología de HuazhongDe la manoUniversidad profesional y técnica de ShenzhenJingbai LiEl equipo de profesores ha logrado un gran avance y ha explorado en profundidad la mezcla.Capa monomolecular autoensamblada(SAM)Mecanismos de interacción intermolecular durante la deposiciónEl estudio fue publicado en la revista TopComunicaciones Naturaleza", tituladoModulación de la adsorción competitiva de moléculas híbridas auto-ensambladas para células solares de perovskita de banda ancha eficientes y tándemes".

El equipo de investigación desarrolló una estrategia innovadora de modificación de interfaz que resolvió con éxito las células solares de Perovskita con brecha de banda ancha.(PSC del Grupo de Trabajo)Desafíos a medio y largo plazo - mixtosSAMEl problema de los defectos de interfaz causados por la adsorción competitiva entre ellos. Los investigadores han examinado sistemáticamente tres coesorizadores diferentes(PA),CAySA)Con uso comúnSAMmaterialEl Me-4PACzEl mecanismo de interacción y el impacto de la eficiencia entre ellos.

Los resultados clave del estudio incluyen:

·El cálculo teórico revelaSAPapel clave:Dinámica molecular..MD) teoría funcional de simulación y densidad (dft)DFT) el cálculo señala claramente,CosorbenteSATiende a llenarNiOxyITOSitios no cubiertos en la superficieY conEl Me-4PACzGenerar interacciones favorables que promuevan su dispersión, formando asíCapa de selección de agujeros más densa.SA-MeLa energía de unión es incluso superior aYo-YoLa energía de Unión ayuda a romperEl Me-4PACzReunión.

·Verificación experimentalSAOptimizar la interfaz y la calidad de la perovskita:Los resultados experimentales demuestran fuertemente que el usoEn / me - 4 paquetesmezclaSAMReduce significativamente las pérdidas compuestas no radiantes de la interfaz y optimiza la disposición del nivel de energía de la interfaz enterrada.Y se ha regulado efectivamente.Grupo de Trabajo MundialCalidad cristalina de la perovskita.XPSEl análisis confirma aún másSAPuede mejorarEl Me-4PACzEnNiOxAdsorción en.SEMyXRDY otras técnicas de caracterización también muestran,SALa introducción de la mejora de la película de PerovskitamorfologíaY cristalinidad.

·PSCs del WBGLa eficiencia ha mejorado significativamente:Basado enSAEstrategia de optimización de la interfaz,1.77 eVCélulas solares de Perovskita con brecha de banda anchaLogrado20,67%Eficiencia de conversión de potencia..PCE(...), y aprobadoLa certificación alcanza20,21%. es tan alto como1.332 VTensión de circuito abierto..COV(...)，El valor de certificación es1.313 VDestaca en dispositivos similares. En comparación con el Grupo de control, se depositó enSALas películas de Perovskita en el sustrato mejorado muestranMás altoPLQYvalorY corresponde a un más altoQFLSvalor.

·Todos los dispositivos laminados de Perovskita se acercan29%Eficiencia de la certificación:Hacer esto eficientePSCs del WBGy1.26 eVBrecha energética estrecha..NBG(...)PSCEn combinación, se preparó con éxito.Células solares apiladas de Perovskita de doble extRemO..TSC(...), suPCEAlcanzar increíble28,94%(valor de certificación28,78%, área pequeña0.087 cm2). además,Módulo de pequeño tamaño (área de apertura)11.3 cm2) también se ha logrado23,92%dePCE.

·Los dispositivos laminados muestran una excelente estabilidad a largo plazo:usarSADispositivos laminados de Perovskita completos con interfaz mejorada en condiciones estrictas..85 ℃，N2O 85 ℃/ 85%Humedad relativa) muestra una excelente estabilidad operativa a largo plazo.

Figura 1i:SACélulas solares de Perovskita de banda ancha en el sustrato(PSC del Grupo de Trabajo)El mejorJ-VCurva

Equipo de investigación

Esta investigación pionera fue realizada por un equipo interdisciplinario, y los autores de la comunicación fueronProfesor Chen Wei de la Universidad de Ciencia y tecnología de HuazhongWei Chen) y Liu zonghao..Zonghao Liu) Profesor y Universidad profesional y técnica de ShenzhenJingbai Li教授。

Este importante trabajo de investigación consta principalmente de los siguientes elementos:unidadLlevar a cabo:

1. Universidad de Ciencia y tecnología de Huazhong(Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong, HUST)

2. Colegio profesional y técnico de Shenzhen(Universidad Politécnica de Shenzhen)

3. Laboratorio Optics Valley(Laboratorio Optics Valley)

Antecedentes de la investigación

·Complejidad de la ingeniería de interfaz:Aunque la capa monomolecular autoensamblada(SAM)Es ampliamente utilizado para mejorar la interfaz de las células solares de perovskita, peromezclaSAMComportamiento de interacción y adsorción competitiva en el proceso de deposiciónAún no se ha estudiado completamente. Comprender cómo los coesorizadores afectan a lo comúnSAMmaterial(comoMe-4PACzEl proceso de formación de película es un desafío.

·Pérdidas compuestas no radiantes:PSCs del WBGLa eficiencia está limitada porPérdidas compuestas no radiantes en la interfaz. Cómo pasivar eficazmente los defectos de la interfaz, reducir la recombinación de carga y aumentar el voltaje de circuito abierto(COV)Es un problema clave.

·Lograr un alto voltaje de circuito abierto(COV):AunqueGrupo de Trabajo MundialEl material tiene un alto potencialCOVPero el dispositivo realCOVA menudo está por debajo del límite teórico.reducirCOVPérdidasEspecialmente las pérdidas relacionadas con la recombinación no radiante de la interfaz son la clave para mejorar la eficiencia.

·Problemas de alineación energética:En la capa de selección de agujeros(HTL)Entre la capa de calcio y titanioMala alineación energéticaObstaculizará la transmisión de carga eléctrica y reducirá la eficiencia del dispositivo.

·Calidad cristalina de las películas de perovskita:obtenerPelícula de Perovskita de brecha de banda ancha de alta calidad, uniforme y con pocos defectosSigue siendo un desafío. Los modificadores de interfaz deben ser capaces de regular eficazmente el proceso de nucleación y crecimiento de la perovskita.

·Desarrollo de baterías apiladas de Perovskita completa:Será eficientePSCs del WBGBrecha energética estrechaPSC (NBG)La integración para construir una batería apilada de Perovskita completa de alto rendimiento requiereControl preciso de la interfaz entre las subclasesY garantizar la combinación efectiva de carga eléctrica.

Figura 3b

Soluciones

En respuesta a las dificultades y desafíos anteriores, el equipo de investigación propusoRegulación de la capa monomolecular autoensamblada mixta(SAM)Comportamiento de adsorción competitivaSoluciones y métodos como núcleo:

·Formación de interfaz de regulación precisa:El equipo de investigación estudia en profundidadco-adsorbentes (PA, CA, SA)Con uso comúnSAMmaterial(Me-4PACz)Interacción entre sí. A través de la Dinámica molecular(MD)Simulación y teoría funcional de densidad(DFT)Los cálculos revelan diferenciasco-adsorbentesyEl Me-4PACzEnNiOxyITOComportamiento de adsorción y energía en la superficie.

·Optimizar la capa de selección de agujeros:estudio encuentraSAcomoco-adsorbenteAl mismo tiempo, puede llenar eficazmente los sitios no cubiertos sin interferencia.El Me-4PACzLa adsorción garantiza la formación de una capa densa de selección de agujeros eléctricos.

·Inhibición de la combinación no radiante:En / me - 4 paquetesmezclaSAMPuede reducir efectivamente las pérdidas compuestas no radiantes de la interfaz.Esto se logra a través de un mayor rendimiento cuántico de fotoluminiscencia(PLQY)División del nivel de energía de cuasi - Fermi(QFLS)Vale la pena verificar.

·Mejorar la alineación energética:Los cálculos y los resultados experimentales muestran que,SA-MeLa aptitud física de dimer logra una mejor disposición de los niveles de energíaAyuda a la extracción y transmisión de la cueva eléctrica desde el mineral de calcio y titanio hasta la capa de transmisión de la cueva eléctrica.

·Regular la cristalización de perovskita:Fotoluminiscencia in situ(PL)Espectro,XDifractividad de rayos X(XRD)Gran ángulo de incidencia de pastoreoXDispersión de rayos(GIWAXS)Y otras caracterizaciones muestran,SALa interfaz modificada ayuda a obtener películas de Perovskita de brecha de banda ancha de mayor calidad, mejor cristalinidad y menos defectos..

·Aumentar el voltaje de apertura(COV):A través de la estrategia anterior, se ha mejorado significativamente.PSCs del WBGdeCOVY confirmado por el análisis de pérdida de energíaLa reducción de las pérdidas compuestas no radiantes esCOVLa causa principal de la promoción.

·Construcción de baterías apiladas eficientes:Será eficienteSAModificaciónPSCs del WBGBrecha energética estrechaPSC (NBG)En combinación, se preparó con éxito.Alta eficiencia(28.94%Valor de certificación28,78%)Células solares laminadas de Perovskita completaY muestra una buena estabilidad.

Al elegir el adecuadoco-adsorbente (SA)yEl Me-4PACz形成混合SAMRegula finamente las características de la interfaz, mejorando así de manera integral las células solares de Perovskita de brecha de banda ancha y su rendimiento en las células laminadas de Perovskita completa..

FiguraS10

Pasos y procesos experimentales

Preparación de materiales

·El estudio se utiliza principalmenteÁcido [4-(3,6-dimetil-9H-carbazol-9-il)butil]fosfónico (Me-4PACz)Como capa monomolecular autoensamblada(SAM)Materiales.

·Al mismo tiempo, se utilizan tres Aminas alquílicas bifuncionales diferentes como coacorbentes:Ácido (6-aminohexil)-fosfónico (PA),Ácido 7-aminoheptanoico (CA)yÁcido 6-aminohexano-1-sulfónico (SA).

·Estos materiales se disuelven en etanol en proporciones específicas para formar una mezclaSAMSolución.

·Brecha de banda ancha(Grupo de Trabajo)La solución precursora de las células solares de Perovskita se basa enFA0.8Cs0.2Pb (I0.6Br0.4) 3Composición.

·Brecha energética estrecha(NBG)La solución precursora de las células solares de Perovskita se basa enFA0.6MA0.3Cs0.1Pb0.5Sn0.5I3 Composición.

Procesos de investigación y hallazgos importantes

·Investigación computacional(DFT)Cálculo yMDsimular(...):

○DFTCálculo:ExplorarPA,CAySAEnNiOxyITOSuperficieModo de unión y energía de adsorción. Los resultados muestran que,SAEnITOLa energía de adsorción es más fuerte queEl Me-4PACz.

¿¿ qué?MDSimulación:Estudio de los coesorizadores yEl Me-4PACzComportamiento de adsorción competitiva.SAPuede adsorberse primero enNiOxSuperficie y luego pasarSA-MeMejora del DímeroEl Me-4PACzLa adsorción ayuda a formar una capa molecular de adsorción más uniforme y rellenaNiOxEnITOáreas no cubiertas en la superficie.SA-MeLa energía de Unión del Dímero es mayor queYo-YoDímero.

¿¿ qué?El cálculo muestra,SA-MeLa aptitud física de dimer logra una mejor disposición de los niveles de energía.

Figura S4a y Figura 1a-d

·Preparación y ensayo de células solares:

¿¿ qué?Basado en diferentesSAMModificadoEsto / nioxEl sustrato está completamente preparado.PSCs del WBGDispositivos.SAEl dispositivo base logra el más altoPCE 20.67%(Valor de certificación20,21%)yVol 1,332 V(Valor de certificación1.313 V).

¿¿ qué?Optimizado a través de la integraciónGrupo de Trabajo MundialyNBGSubclase, lista2 -Células solares apiladas de Perovskita(TSC)，Basado enSALa batería apilada logra la más altaPCE 28.94%(Valor de certificación28,78%).

¿¿ qué?También se ha creado unSAComponentes en miniatura laminados,MediaPCEpara21,82 ± 1,28% ()Superficie del agujero11.3 cm2).

Figura 4c

·Estabilidad de la batería:

¿¿ qué?Basado enSALa batería apilada está en85℃Neutralización de la atmósfera de nitrógeno85℃/ 85%Se muestra en ambientes con humedad relativaMayor estabilidad de almacenamiento. en cursoAM 1,5 GBajo la luzMPPTfuncionar500Horas después,Se mantiene la inicialPCEde85%.

Figura 4f

Caracterización de los resultados de la investigación

Rendimiento cuántico fotoluminiscente(PLQY)División del nivel de energía de cuasi - Fermi(QFLS)

Se midieron las propiedades de Perovskita depositadas en diferentes sustratos.PLQYY se calcula el correspondienteQFLS. cuantificarSAM/Pérdidas compuestas no radiantes en la interfaz de perovskita.

imagen3D y: muestra películas de Perovskita depositadas en sustratos de vidrioPLQYEl valor es4231%, correspondienteQFLSEl valor es1.388 eV. para los depósitos en la mezclaSAMLa película de Perovskita en ella,SALa muestra obtuvo el más altoPLQYvalor3.005%, correspondienteQFLSEl valor es1.379 eV.SALa estrategia de co - adsorción puede reducirseSAM/Pérdidas compuestas no radiantes en la interfaz de perovskita.

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corriente eléctrica-voltaje(J-V)Curva

Las mediciones se basan en diferentesSAMModificadoEsto / nioxBrecha de banda ancha preparada en sustrato(Grupo de Trabajo)Células solares de Perovskita(PSC)Y células solares laminadas de Perovskita completa(TSC)deJ-VCurvas, incluyendo escaneo hacia adelante y escaneo hacia atrás.

l Células solares de Perovskita con brecha de banda ancha(PSC del Grupo de Trabajo):usarSALos dispositivos de cosorbentes muestran una mejora significativa del rendimiento y logran el más altoPCE 20,67%(escaneo inverso) y1.332 VTensión de circuito abierto(Voc). Este resultado está certificado,PCEpara20,21%,Vocpara1.313 V(imagenS23). Estos valores fueron reportados en ese momento(1,77 eV) PSC del WBGEl nivel superior en el medio.

l Células solares laminadas de Perovskita completa(TSC totalmente perovskitas):SAEl cosorbente también mejoró significativamente el rendimiento de la batería apilada, alcanzando el más alto.PCE 28,94%(escaneo inverso) y2.146 VdeVoc. salida de potencia establePCEpara28,72%imagenS37). de la batería apiladaPCECertificado como28,78%,Vocpara2.145 V(imagenS38).

l Basado enSAComponentes en miniatura laminados:Basado en cinco subclasesSAEl microambiente apilado muestra una buena uniformidad, mediaPCEalcanzar21.82 ±1,28% ()Superficie del agujero11.3 cm2(...). El mejor componente en miniaturaPCEpara23,92%,Vocpara10.10 V(imagen4e).

Eficiencia cuántica externa(EQE)

Utilizado por el equipo de investigaciónEnlitech QE-RSistema de medición de la eficiencia cuánticaLas mediciones se basan en diferentesSAMUn solo nudoPSCs del WBGyPSC NBGY las células solares laminadasEQEEspectro.

imagenS20: Grupo de control,PAGrupo,CAGrupo ySAgrupoGrupo de Trabajo MundialDispositivoEQEpuntosJSCRespectivamente 17.42、17.60、17.64y18,06 mA cm¿¿ qué?2, yJ-VEscaneo y extracciónJSCCoincide. imagen4DMapa de sumaS36bMuestraSABaseTSCdeGrupo de Trabajo MundialyNBGSubclaseEQEEspectro,EQEIntegralGrupo de Trabajo MundialyNBGSubclaseJSCLos valores son 15.94y15,71 mA cm¿¿ qué?2.

Fotoluminiscencia in situ(PL)Espectro

Monitoreo de la Perovskita en la fase de recubrimiento giratorio y recocido del precursor en el Grupo de control ySAComportamiento de cristalización en el sustrato del grupo. （imagenS24(...)

XEspectro fotoelectrónico de rayos X(XPS)

usarXPSLas mediciones se basan enEl Me-4PACzSolo (grupo de control) y conPA,CAOSAHíbridoSAMModificadoEsto / nioxLa composición química de la superficie y el Estado de Valencia de los elementos del sustrato. Verificar la presencia de coesorizadores y estudiar sus efectos enEl Me-4PACzEnNiOxEfectos de la adsorción superficial y la conductividad eléctrica.XPSLos resultados confirman directamente que el cosorbent está en la mezcla.SAMLa existencia en y revelaSALa introducción no solo puede ser efectiva, sino que tambiénEl Me-4PACzLa Co - adsorción también puede aumentarEl Me-4PACzyNiOxCombinar y mejorarNiOxConductividad eléctrica.（imagenS9,S10,S11,S12(...)

Dispersión dinámica de la luz(DLS)

usarDLSSe midió la distribución del tamaño de las partículas de microgel en diferentes soluciones moleculares de adsorción mixta. Los resultados muestran que la introducción de co - adsorbentes disminuyó.El Me-4PACzEl tamaño medio de las partículas de microgel formadas en la solución indica que el cosorbente inhibeEl Me-4PACzFormación de partículas de microgelimagenS13(...)

Ultravioleta-Luz visible(UV-Vis)Espectro

monitoreoEl Me-4PACzEnEsto / nioxDinámica de adsorción en un sustrato paraEl Me-4PACzSoluciones yEl Me-4PACzyPA,CAOSASolución Mixta.En / me - 4 paquetesLa tasa de adsorción es más rápida y la carga es mayor.（imagenS14(...)

Medición del ángulo de contacto

Se midieron gotas de agua en el Grupo de control yPA,CAySAProcesadoEsto / nioxEl ángulo de contacto en el sustrato.El aumento del ángulo de contacto indica un aumento de la hidrofobicidad de la superficie por la introducción de cosulfatos, principalmente debido a la mezclaSAMMejor coberturaEsto / nioxEn la superficie, se reduce la exposición de grupos altamente hidrofílicos.（imagenS15(...)

XDifractividad de rayos X(XRD)Incidencia de pastoreoXDifractividad de rayos X(GIXRD)

usarXRDSe midieron los depósitos en diferentesSAMEstructura cristalina de la película de Perovskita en el sustrato modificado. usarGIXRDSe estudiaron las tensiones residuales de la película. （imagenS26、imagenS27(...)

Incidencia de pastoreo de gran ánguloXDispersión de rayos(GIWAXS)yPLMapeo

Exponer la superficie inferior de la Perovskita utilizando la técnica de desprendimiento y realizarGIWAXSyPLCaracterización cartográfica. Mezcla de investigaciónSAMEfecto sobre la masa de Perovskita y la combinación no radiante en la interfaz inferior. En comparación con el Grupo de control,SALas películas de Perovskita a base de muestran una mayorPLLa intensidad y la mayor uniformidad indican que la composición no radiante de la interfaz inferior está suprimida. （imagenS28, mapa2i-L(...)

Espectro de energía electrónica ultravioleta(UPS)

Capa de transporte de agujeros preparada para la medición(HTL)Disposición de los niveles de energía. EvaluaciónSAMPareja modificadaEsto / nioxValores máximos de la función de trabajo y la banda de precios(VBM)Impacto. （imagen3aMapa de sumaS29(...)

Fotoluminiscencia resuelta en el tiempo(trpl)

Las mediciones se depositan en diferentesSAMDinámica de transportistas de películas de Perovskita en sustratos modificados. （imagen3b y c(...)

Conclusiones

El equipo de investigación profundizó en la capa monomolecular autoensamblada mixta(SAM)Adsorbentes del Partido Comunista de China y[4-(3,6-Xililo-9H-Carbazol- 9 -Base(...)Butilo[en inglés]ácido fosfónico(Me-4PACz)Su interacción en células solares de Perovskita de banda ancha de alta eficiencia(PSC del Grupo de Trabajo)Y aplicaciones en células solares laminadas. El estudio encontró que,6 -Aminohexano- 1 -ácido sulfónico(SA)Como cosorbente, puede llenar eficazmente sitios no cubiertos sin interferirEl Me-4PACzAdsorción, formando así una capa densa de selección de agujeros eléctricos.

A través de la Dinámica molecular(MD)Simulación y teoría funcional de densidad(DFT)Cálculos, estudios aclaranSAyEl Me-4PACzLas interacciones superficiales e intermoleculares equilibradas entre sí ayudanEl Me-4PACzEnNiOxyITOLa superficie se adsorbe de manera más uniforme.XPSLos resultados de la caracterización se verifican aún más.SAEn la mezclaSAMPresencia en y mostrarSACapazmejorarEl Me-4PACzyNiOxCapacidad de combinación y mejoraNiOxConductividad eléctrica.

Los principales resultados de este estudio incluyen:

• basado enEn / me - 4 paquetesmezclaSAMde1,77 eV WBG PSCsSe ha logrado hasta20,67%Eficiencia de conversión de potencia(Certificado como20,21%)y1.332 VTensión de circuito abierto(Certificado como1.313 V).

·En / me - 4 paquetesmezclaSAMReduce efectivamente las pérdidas compuestas no radiantes de la interfaz, optimiza la disposición del nivel de energía y regulaGrupo de Trabajo MundialCristalización de Perovskita.XRDySEMLos resultados de la caracterización muestran que el usoSALas películas de Perovskita depositadas en el sustrato tienenMayor cristalinidad, menos defectos y una superficie más plana.

- Se optimizaráGrupo de Trabajo MundialBaterías secundarias y1.26 eVBrecha energética estrecha(NBG) PSCCombinado, preparadoCélulas solares laminadas de Perovskita completa(TSC), suPCESe ha alcanzado28,94%Certificado como28,78%),Vocpara2.146 V.

• basado enSAMicrocomponente apilado (área de apertura)11.3 cm2)Muestra la media21,82%dePCE, el mejor dispositivoPCEalcanzar23,92%,Vocpara10.10 V.

• Las pruebas de estabilidad muestran queSADispositivos laminados bajo luz continua500Puede mantener su inicial después de horasPCEde85%Al mismo tiempo, también muestra un rendimiento mejorado en términos de estabilidad térmica y estabilidad térmica húmeda.

Referencias documentales autoconducciones comunicaciones doi: 10.1038 / s41467 - 025 - 58.111 - y

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