Antecedentes y desafíos de la investigación

Perovskita-Células solares apiladas orgánicamente..POTSC) con su ventaja de ajustabilidad, en teoría tiene la capacidad de romper la batería de una sola Cara.de Shockley-QueisserEl potencial del límite. En comparación con otras técnicas de apilamiento,POTSCTiene ventajas: las características de filtro ultravioleta de la capa de mineral de calcio y titanio mejoran la estabilidad operativa, toda la estructura de película apoya el proceso de enrollado de alto rendimiento y se puede procesar en un sustrato flexible en un entorno convencional, especialmente para aplicaciones como la integración de edificios, la integración de vehículos y productos electrónicos portátiles.

Sin embargo,POTSCEl desarrollo se enfrenta a cuellos de botella tecnológicos clave:En la actualidad, se ha certificado la eficiencia..24,7%) todavía por debajo de la batería apilada de Perovskita completa..28,2%) y Perovskita-CIGSBatería apilada en serie24,2%(...). El problema central que causa esta brecha de eficiencia esFalta de corriente óptica infrarroja cercana a la batería de fondo orgánico de brecha de energía estrechaLas principales razones incluyen:

1. Escasez de materiales aplicables: actualmente carece de receptores no fullerenos de alta eficiencia y estrecha brecha energética..NFAs). ExistenteY6Brecha óptica del receptor~ 1,33 eV) brecha energética ideal para la configuración apilada en serie..~ 1,00 eV) sigue siendo una optimización secundaria.

2. Problema de coincidencia de orden energético: reducción de la tradiciónNFALas estrategias de brecha energética (como prolongar la longitud de conjugación y fortalecer la transferencia de carga dentro de la molécula) a menudo conducen aHomoEl aumento excesivo del orden de energía conduce a un desajuste del orden de energía con los donantes de polímero, lo que a su vez afecta la eficiencia de disociación de los radicales y limita el rendimiento del voltaje de circuito abierto y el factor de llenado.

Equipo de investigación y resultados básicos

La investigación fue realizada porHou yi, del Departamento de ingeniería química y biomolecular de la Universidad Nacional de Singapur y del Instituto de energía solar de Singapur(Yi Hou)教授Líderes, los resultados de la investigación se publican en la revista TopNaturaleza".

El equipo de investigación apunta aPOTSCEl cuello de botella de la eficiencia central y propone dos estrategias clave de innovación:

Estrategia 1: mejorar el rendimiento de la batería de fondo orgánico con brecha de energía estrecha El equipo diseñó y sintetizó nuevos receptores asimétricos no fullerenosP2EH-1V, con conjugación unilateralπLa estrategia del puente reduce la brecha óptica a1,27 eVAl mismo tiempo, se mantiene la disociación ideal de los radicales y la morfología de los nanómetros. Confirmado por el espectro de absorción instantánea de femtosegundosPM6AP2EH-1VLa transferencia de agujeros de alta eficiencia y la medición de la eficiencia cuántica de Electroluminiscencia muestran la pérdida de voltaje no radiante de0,26 eVSignificativamente reducido a0,20 eV.

Estrategia 2: optimizar la interfaz de la batería en Perovskita de brecha de energía ancha Desarrollo de nuevas capas monomoleculares autoensambladasde Br-Ph-4PACzLa regulación efectiva de la función funcional a través del Grupo de sustitución de bromofenilo yHomoOrden de energía, mejorar la alineación de la banda de energía con la Perovskita y reducir la pérdida de compuestos de interfaz. La alineación de los niveles de energía se evalúa utilizando el espectro de energía electrónica ultravioleta y el microscopio de fuerza de sonda kelvin, y la reducción de la combinación no radiante y el aumento del voltaje interno se confirman a través de la fotoluminiscencia en Estado estable y la medición de la División del orden de energía cuasi - fermi.

Resultados innovadores: combinar las estrategias innovadoras anteriores,POTSCLa eficiencia alcanza26,7%Certificado de forma independiente por el Instituto de microsistemas y tecnología de la información de Shanghai como26,4%, superando1 cm²Dispositivo de áreaRécord mundial.

Figura 4g

Pasos experimentales y preparación de dispositivos

Fig.4a

Este estudio se realiza principalmente a través de dos estrategias básicas,Diseño y preparaciónComponentes clave de células solares de alto rendimiento, finalmenteIntegraciónPerovskita récord-Células solares apiladas orgánicamente. Los siguientes son sus principales pasos y procesos experimentales:

Estudiar las estrategias básicas: el estudio se centra principalmente en dos cuellos de botella centrales para experimentar: primero, mejorarBatería de fondo orgánico de brecha de energía estrechaLa segunda es resolver la corriente óptica.Batería en Perovskita con amplia brecha de energíaEl problema de la pérdida de voltaje y factor de llenado.

Materiales innovadores y preparación de baterías de fondo orgánico de brecha de energía estrecha

• Nuevos receptores asimétricos no fullerenos(NFA) P2EH-1VSíntesis exitosa

• Equipo de investigaciónDiseño y síntesis exitosaSe ha introducido un nuevo tipo deReceptores asimétricos no fullerenosP2EH-1V.

• Este material pasa porConjugación unilateralπEstrategia del puenteSe logra reducir la brecha óptica a1,27 eV.

• Montaje de dispositivos de unidades de batería de fondo orgánico de alta eficiencia

• Las células solares orgánicas de unión única utilizanITO/MoOx/PM6: NFA/PDINN/AgLa estructura se prepara.

• Entre ellos,PM6Como donante,P2EH-1VComo receptor, ambos con 1: 1.2Mezcla proporcionalEn una solución de cloroformo, la concentración total es16 mg/ml.

• Aplicar la solución mixta aMoOxEn la capa, luego se realiza un tratamiento de recocido térmico y finalmente se deposita.PDINNyAgLos electrodos se completan de preparar.

Optimización de la interfaz y preparación de baterías en Perovskita de amplia brecha energética

• Nueva capa monomolecular autoensamblada(SAM) Br-Ph-4PACzDesarrollo

• Equipo de investigaciónDesarrollo y síntesisSe ha introducido un nuevo tipo deCapa monomolecular autoensambladade Br-Ph-4PACz.

• El material se introduceSustitución de bromofeniloCon el objetivo de ajustar eficazmente la función y laHomoOrden de energía para mejorar la alineación de la banda de energía con la perovskita.

• Preparación de dispositivos de unidades de batería en Perovskita de alto rendimiento

• Las células solares de Perovskita de unión única y brecha de energía ancha utilizanOIT/SAM/Perovskita/ C60 / BCP / AgLa estructura se prepara.

• En primer lugar, SAM (Br-Ph-4PACz)SoluciónPintado en el patrónITOEn el sustrato de vidrio y caliente.

• Posteriormente,Solución precursora de Perovskita de composición específica(Cs0.25FA0.75 Pb (Br0.4I0.6) 3) Aplicar en rotaciónSAMEn la capa, y el recocido forma una película de perovskita.

• Finalmente, la deposición secuencialEDAI2Solución,C60,BCPyAgElectrodos para completar el dispositivo.

Perovskita de alta eficiencia-Integración de células solares apiladas orgánicamente

• Optimizar la estructura de los dispositivos apilados y el diseño de la capa de interconexión

• Perovskita final-Las células solares apiladas orgánicas utilizanvidrioITO/SAM/Perovskita/ C 60 / snox / Ito / mooxOrgánico/ PDINN / AgArquitectura completa del dispositivo.

• Capa de interconexión claveSituado entre la batería en Perovskita y la batería de fondo orgánico, compuesto porC60, depósito de capa Atómica(ALD)deSnOx, salpicadoITOY evaporado por calorMoOx Composición para garantizar una transmisión eficiente de la carga eléctrica.

• Batería superior e inferiorEspesor de la capa absorbenteDespués de una optimización precisa (perovskita aproximadamente290 nm, capa orgánica aproximadamente110 nm) para lograr un equilibrio de la densidad de corriente entre las dos baterías.

Métodos de caracterización y resultados

División del orden cuasi fermilano(División de nivel cuasi-Fermi, QFLS)

EvaluaciónSAMEl efecto de inhibición compuesta de la pérdida de voltaje y la no radiación en la interfaz con perovskita,QFLSMejorar el dispositivo de reflexión directaCOVPotencial de mejora.

Obtenido mediante la medición de tensión de circuito abierto dependiente de la intensidadQFLSEl análisis muestra que,de Br-Ph-4PACzLas películas de Perovskita tratadas muestran un efecto significativo de optimización de interfaz.Br-Ph-4PACz/El voltaje de apertura propuesto de la pila de Perovskita(iVoc)Alcanzar1,38 V, significativamente por encimaEl Me-4PACzPila de Perovskita1,34 V, la mejora alcanza40 mV. Este resultado confirmade Br-Ph-4PACzReducción efectiva a través del efecto regulador de la función de trabajo del Grupo de sustitución de bromofeniloSAMEl desajuste del orden de energía con la interfaz de Perovskita reduce la pérdida compuesta de la interfaz y es un dispositivo.COVLa mejora proporciona una fuerza motriz directa.

Imagen3DMuestra las células solares de Perovskita de unión única y brecha de energía ancha en dos tiposSAMProcesadoCOVAnálisis y comparación de pérdidas.de Br-Ph-4PACzLas muestras muestran másQFLSValor y menor pérdida de tensión de la interfaz, mostrando intuitivamente la funcionalización del bromofeniloSAMVentajas significativas en la optimización de la ingeniería de interfaz.

El último lanzamiento de guangyan TechnologyMapeador QFLS¡¡ analiza el límite superior del potencial de los materiales!

Enlitech Mapeador QFLSDeje que ustedaCompetitivo1 / 5Ventajas de costoSe puede obtenerMapeo QFLSyQFLSImágenes¡¡ muestra claramente la distribución espacial del nivel de energía cuasi - fermi, para que la calidad del material sea clara de un vistazo!

Rastrear nuestra dinámica y obtenerla por primera vez¡Información técnica!

corriente eléctrica-voltaje(J-V)Medición de la curva

Evaluar el rendimiento de conversión fotoeléctrica de los dispositivos de unión única y serie, reflejando directamente el efecto integral de la innovación de materiales y la optimización de la ingeniería de dispositivos.

Simulación en una guantera llena de nitrógeno1sol AM 1.5GLuz(100 mW cm)^-2(...)Medir dispositivos de diferentes áreas bajo(0,050 cm)²y1.019 cm²(...)Rendimiento.

l PM6: P2EH-1VCélulas solares orgánicasLograr17,9% PCEAvance, exhibición0,82 VTensión de circuito abierto,28,60 mA cm^-2Alta densidad de corriente de cortocircuito y76,5%Factor de relleno.

l de Br-Ph-4PACzCélulas solares de PerovskitaAlcanzar20,4% PCE, con1,37 VTensión de circuito abierto ultra alta y85,5%Excelente factor de llenado.

l Perovskita-Células solares apiladas orgánicasAlcanzar un récord26,7% PCE (COV: 2,14 V, JSC: 15,15 mA cm)^-2FF: 82,4%), dispositivos de gran área(1.019 cm)²(...)También se mantiene26,7% PCE.

Los resultados de la certificación independiente del Instituto de microsistemas y tecnología de la información de Shanghai son los siguientes:26,4% PCEEl escaneo positivo y negativo es consistente y no hay retraso significativo, y se ha certificado Perovskita de unión única de centímetro y perovskita.-CIGSY Perovskita-Batería apilada orgánicaPCERécord.

Imagen4bMuestra baterías orgánicas de Unión única, baterías de Perovskita y baterías apiladas.J-VLa combinación de curvas, que compara claramente los parámetros fotoeléctricos de los tres dispositivos, presenta intuitivamente las ventajas obvias de la estructura apilada en la optimización de la adición de voltaje y la coincidencia de corriente.

Imagen4eClásicos de la exhibiciónSimitCertificado1 cm²Batería apiladaJ-VCurva, escaneo positivo y negativoPCETodos26,4%Se confirma el rendimiento y la estabilidad del dispositivo en aplicaciones prácticas.

Eficiencia cuántica externa(Eficiencia cuántica externa, EQE)medición

Evaluar el grado de coincidencia entre la respuesta espectral y la corriente de cada subclase y verificar el efecto sinérgico y el equilibrio de corriente de las subclases superiores e inferiores en la batería apilada.

PM6: P2EH-1VBatería de fondo orgánicoporqueP2EH-1VPropiedades de absorción de desplazamiento al rojo del material,EQELa densidad de corriente integral alcanza27,86 mA cm^-2, yJ-VLos resultados de la prueba son altamente consistentes.(ErrorMenos del 3%).Perovskita-Batería apilada orgánicaBaterías en Perovskita y baterías de fondo orgánicoEQEPuntosJSCRespectivamente15,20 mA cm^-2y15,14 mA cm^-2. muestra que la densidad de corriente entre las dos baterías secundarias ha alcanzado una buena coincidencia y es la clave para lograr una batería apilada de alta eficiencia.

Imagen4DPerovskita-Perovskita y baterías orgánicas en baterías apiladas orgánicasEQECurvas e integralesJSC, que muestra las baterías de dos subclases en la batería apiladaEQECurvas que muestran claramente su contribución de absorción a diferentes longitudes de onda de luz y la densidad de corriente después de la integración para alcanzar el equilibrio

Eficiencia cuántica de Electroluminiscencia(Eficiencia cuántica de electroluminescencia, EQEEL)medición

Evaluar la pérdida de energía no radiante y el mecanismo compuesto de las células solares orgánicas, utilizandoEnlitech ELCT-3010 (REPS)sistemaAplicar tensión externa al dispositivo/.La fuente de corriente se mide.

P2EH-1VEl material receptor innovador muestra un efecto inhibidor compuesto no radiante, conP2EHEn comparación con los dispositivos de referencia,P2EH-1VReducción de la pérdida total de energía del dispositivo0,05 eV, que se debe principalmente a la disminución significativa de la pérdida de energía no radiante, desde0,26 eVMejora sustancial a0,20 eV. Este resultado confirmaP2EH-1VA través del diseño optimizado de la estructura molecular, se reduce efectivamente la densidad de Estados defectuosos y el camino compuesto no radiante.

Imagen2fExhibiciónPM6: P2EH,PM6: P2EH-1VyPM6: P2EH-2VAnálisis y resumen de la pérdida de energía de las células solares orgánicas, una comparación clara de la pérdida de energía no radiante de diferentes materiales receptores(ΔEnon-rad)Distribución, presentación intuitivaP2EH-1VVentajas significativas en la inhibición de la combinación no radiante.

Tipo sensibleEQE/Espectrómetro de corriente óptica de transformación de Ft(EQE/FTPS sensible)

Evaluar el mecanismo detallado de pérdida de energía de las células solares orgánicas, utilizandoEnlitech PECT-600 (FTPS)sistemaTipo sensible de registroEQE, Electroluminiscencia combinada(EL)La curva se realizagaussianoAnálisis de ajuste.

FTPS-EQEyELLos resultados del ajuste de precisión de la curva se confirman nuevamente.P2EH-1VEl rendimiento del dispositivo en la inhibición de la pérdida de energía no radiante. El grado de alineación de la curva refleja directamente el equilibrio entre el proceso de combinación de radiación y no radiación del dispositivo.P2EH-1VA través del diseño optimizado de la estructura electrónica, el material logra el doble efecto de mejorar la radiación compuesta y reducir las pérdidas no radiantes.

Imagen2 horasExhibiciónPM6: P2EH-1VDispositivos mixtosFTPS-EQEY la curva de ElectroluminiscenciagaussianoEn comparación con el ajuste, la consistencia de altura y la alineación precisa de las dos curvas se confirman intuitivamente.P2EH-1VEficacia en la reducción de la pérdida de energía no radiante.

Otras caracterizaciones

Ultravioleta-Espectro visible(UV-Vis): caracterizar las características de absorción de luz del material y evaluar el efecto de regulación de la brecha energética.P2EH-1VAbsorción con un claro desplazamiento al rojo80 nmLa brecha óptica cae1,27 eVAmpliar el rango de absorción de luz infrarroja cercana.(Imagen1b)

Incidencia de pastoreo de gran ánguloXDispersión de rayos(GIWAXS): caracterizar el comportamiento cristalino de la película delgada y la orientación de la acumulación molecular, y evaluar la ruta de transmisión de carga eléctrica. todoNFATodos muestran una orientación prioritaria hacia adelante,PM6: P2EH-1VLa película de mezcla mantiene una buena acumulación ordenada.(Imagen1d)

Microscopía de fuerza atómica(AFM): evaluar la morfología y la rugosidad de la superficie de la película para reflejar la calidad de la película.de Br-Ph-4PACzLa superficie de la película de Perovskita es más uniforme y la rugosidad se reduce a18,9 nm, mejorEl Me-4PACzde22,2 nm.(Figs..27)

Espectro de energía electrónica ultravioleta(UPS): evaluar la alineación de la función de trabajo de la interfaz del material con el orden de energía y optimizar la transmisión de carga de la interfaz.de Br-Ph-4PACzHay una función de trabajo más profunda alineada con una banda de energía más favorable para reducir la pérdida de energía de la interfaz.(Imagen3b)

Microscopio de fuerza de sonda Kelvin(KPFM): cuantificarSAMEl efecto de control de la función de trabajo verifica la optimización de la ingeniería de interfaz.KPFMConfirmación de la imagende Br-Ph-4PACzPuede ajustarse de manera más efectivaITODistribución de la función de trabajo del sustrato.(Figs..18)

Espectro de fotoluminiscencia(PL)Y confocalPLMapeo: evaluar la pérdida compuesta no radiante y la uniformidad de la película para reflejar el efecto de pasivación de defectos.de Br-Ph-4PACzPelícula de PerovskitaPLLa intensidad se quintuplicó,PLQYdesde0,41%Aumentar significativamente1,82%.(Imagen3c)

Espectro de absorción transitorio(TA): evaluar la dinámica de carga y el proceso de transferencia de agujeros para verificar la eficiencia de la disociación de los radicales.575 nmAplicar el cuerpoGSBConfirmación dinámicaP2EH-1VHaciaPM6Transferencia de agujeros de alta eficiencia.(Imagen2d)

Probabilidad de disociación de la carga eléctrica(Pdiss)analizar: evaluar la eficiencia de la generación de carga de los radicales fotogénicos y cuantificar la capacidad de disociación de los radicales.PM6: P2EH-1VDispositivosPdissLlegar96,1%Muestra la probabilidad de generación de carga eléctrica.(Imagen2e)

Espectro de Resistencia(Impedancia): estudiar la resistencia compuesta de carga eléctrica del dispositivo y evaluar las características de transmisión del portador.NyquistaLa imagen muestraP2EH-1VEl dispositivo tiene una mayor resistencia compuesta y una menor pérdida de carga compuesta.()FigS.14)

Corriente óptica instantánea(TPC)medición: medir la vida útil de extracción del portador de carga y evaluar la eficiencia de la recolección de carga.de Br-Ph-4PACzLa vida útil de atenuación de la corriente fotoeléctrica del dispositivo se reduce a0,73 μsSe mejora la eficiencia de la extracción de transportistas.(Imagen3f)

Medición del ángulo de contacto：研究SAMPropiedades de humectación, evaluación de la uniformidad de la cubierta de la película.de Br-Ph-4PACzEl ángulo de contacto de la base cae10,4 °Mejorar la humectabilidad y la cobertura de película de los precursores de perovskita.(Figs..22)

Punto de potencia máxima a largo plazo(MPP)Evaluación de la estabilidad: evaluar la estabilidad operativa a largo plazo del dispositivo y verificar el potencial práctico. Batería apilada envasada783Se mantiene después de las horas80%Eficiencia,de Br-Ph-4PACzDispositivosT80Extendido a550Horas.(Imagen4 horas)

Microscopía electrónica de barrido transversal(SEM): visualizar la estructura del dispositivo apilado y el grosor de cada capa para verificar la precisión de la preparación. Muestra claramente el Perovskita optimizado(~290 nm)Con orgánico(~110 nm)Capa absorbente y estructura de interconexión multicapa.(Imagen4 bis)

conclusión

El equipo de investigación está en Perovskita-Se han logrado avances en el campo de las células solares apiladas orgánicas, logrando una eficiencia y estabilidad récord a través de una doble estrategia innovadora.

Avances tecnológicos básicos

Diseño de materiales innovadores: desarrollo de nuevos receptores asimétricos no fullerenosP2EH-1V, a través de doble enlace de etileno unidireccionalπLa estrategia del puente reduce la brecha óptica a1,27 eV, el espectro de absorción se mueve hacia el rojo aproximadamente80 nmLograr hasta28,60 mA cm^-2Densidad de corriente de cortocircuito. La eficiencia de la batería de fondo orgánico alcanza17,9%Las pérdidas compuestas no radiantes provienen de0,26 eVBajar0,20 eVLa probabilidad de disociación de la carga es tan alta como96,1%.

Optimización de la ingeniería de interfaz: diseño de capas monomoleculares autoensambladasde Br-Ph-4PACzLa película de Perovskita se alinea con la banda de energía a través de la función de regulación de sustitución de bromobenzeno.PLLa intensidad se quintuplicó,PLQYdesde0,41%Aumentar significativamente1,82%. la eficiencia de la batería en Perovskita de amplia brecha de energía alcanza20,4%, con1,37 VAlta tensión de circuito abierto y85,5%Factor de relleno.

Rendimiento del rendimiento

Eficiencia récord: Perovskita-Implementación de células solares apiladas orgánicas26,7% PCECertificado de forma independiente por el Instituto de microsistemas y tecnología de la información de Shanghai como26,4%，Más allá de todos los perovskitas y perovskitas de unión única de grado público reportados hasta ahora-Perovskita y Perovskita-CIGSRegistro de baterías apiladas. para 1 Dispositivo de área efectiva de centímetros cuadrados, cuya eficiencia de conversión de potencia estable(PCE)Se puede alcanzar26,5%

Excelente estabilidad: baterías apiladas encapsuladas en condiciones ambientales(25°C, 85%Humedad relativa(...)Clásicos783horaMPPSe mantiene después del rastreo80%Eficiencia inicial, significativamente mejor que la batería orgánica de un solo nudoT80Solo180hora(...).de Br-Ph-4PACzDispositivosT80Extendido a550Horas, se confirma el efecto positivo del efecto de filtro ultravioleta de la capa de mineral de calcio y titanio en la estabilidad a largo plazo.

Referencia documental de Nature doi: 10.1038 / s41586 - 025 - 09181 - X

Este artículo es una reescritura de enlitech guangyan Technology para el intercambio académico de investigación científica. si hay alguna infracción, por favor envíe una carta para informarle.