Antecedentes y desafíos de la investigación

En los últimos años, las células solares de Perovskita(PSC)Capa monomolecular autoensamblada media(SAM)El estudio de aplicación muestra que su mecanismo de acción es significativamente diferente del principio tradicional de diseño de dipolo de interfaz, especialmente enn-i-pEn la estructura se utiliza como capa molecular de selección electrónica(ESMLs)Tiempo. Este fenómeno de desviación de la teoría tradicional ha llevado a los investigadores a reexaminarSAMEl mecanismo de acción práctica se refleja principalmente en los siguientes tres aspectos:

1. Contradicciones teóricas en los principios de diseño:p-i-nExtracción de agujeros eléctricos en la estructura y Autoensamblaje de capas moleculares únicas(HSSAM)El uso de unidades a base de Anilina con propiedades electrónicas puede mejorar efectivamente los óxidos conductores transparentes.(TCO)Esto contradice la teoría tradicional de que los grupos absorbentes de electrones deben mejorar la función de trabajo.

2. La importancia del mecanismo de dopaje superficial: la evidencia experimental muestra que,SAMEl papel principal puede no limitarse al efecto dipolo de interfaz, sino a la formación de regiones de enriquecimiento o falta de electrones en la superficie, similares al "dopaje superficial".(dopaje superficial)Mecanismo que facilita así la extracción de transportistas específicos. Esto explica por quén-i-pEn la estructura, la falta de electrónicaSAM(ESSAM)Puede servir eficazmente como capa de selección electrónica.

3. Problemas de uniformidad del proceso y la estructura:PSCEl método de recubrimiento giratorio comúnmente utilizado en la preparación es difícil de garantizar.SAMDisposición uniforme, el estudio encontróHSSAMEn aplicaciones prácticas, a menudo se presenta una cobertura superficial desigual, e incluso se forman múltiples capas de estructura en lugar de una sola capa molecular ideal, lo que conduce a la aleatorización de la orientación dipolo y se desvía aún más de la tradición.SAMConcepto.

Equipo de investigación y resultados clave de la investigación

Este estudio fue elaborado porGao peng, Instituto de estructura material de fujian, Academia China de Ciencias(Peng Gao)教授Líderes, tesis publicadas enRevista de la Sociedad Química Americana (JACS).

El equipo de investigación adopta"Falta colaborativa de ingeniería de superficies electrónicas"(Ingeniería de Superficie Sinérgica Deficiente de Electrones)Método, se analizan sistemáticamente materiales carentes de electrónica de diferentes intensidades, con el objetivo de resolver el problema de las células solares de perovskita.(PSC)Capa monomolecular autoensamblada media(SAM)El problema de que el mecanismo de Acción se desvía del principio de diseño del dipolo de interfaz tradicional. Estudiaron específicamenteCapa Molecular selectiva electrónica bifuncional bipiridina(ESMLs)Y mediante la incorporación de grupos de ácidos nucleicos(Bpy-COOH)Sustituir porParte cianoacrílica de electrones fuertemente absorbidos(Bpy-CAA) Para regular la intensidad de absorción de electrones de las moléculas para mejorar los efectos de adsorción, extracción electrónica y pasivación. El estudio revelaLas propiedades electrónicas de las moléculas son más decisivas para la extracción electrónica de alta eficiencia que para la orientación dipolo.

Principales resultados:

1. Desarrollar eficienteBpy-CAANudo único de basePSCDispositivo, realizado 23,98%Eficiencia de conversión de potencia(PCE).

2. 1 cm² Gran árean-i-p PSCDispositivoPCEAlcanzar 21,63%Es el uso de orgánico en el informe actual.ESMLsUna de las eficiencias.

3. PonerBpy-CAAComoSnO2/Cuando la Perovskita entra en contacto con la capa de interfaz, un solo nudoPSC PCEAlcanzar 26,00%.

4. Se aplica a la Perovskita de cuatro extremos/.Células solares en serie de silicio(4T-P/STSCs)Cuando se alcanzó un objetivo notable 30,83% PCE, clasificado como reportado4T-P/STSCsEntre los eficientes()Figura 7,Cuadro 1(...)

Pasos y procesos experimentales

Figura 4a

Preparación de materiales y preparación de componentes

1. Síntesis de materiales

• Adoptar la venta en el mercadoBpy-COOHmaterial

• A través de un pasoKnoevenagelSíntesis de reacción de condensaciónBpy-CAA

2. Proceso de preparación de células solares

• Procesamiento de sustratos:Implementación libreEl sustrato se limpia por ultrasonido(Limpiadores, agua desionizada, cetona, etanol(...)Y el tratamiento de plasma

• Capa de transmisión electrónica: dilución por recubrimiento giratorioSnO2La solución coloide y el recocido forman aproximadamente35 nmCapa de espesor

• Capa molecular de selección electrónica: recubrimiento giratorio de diferentes concentracionesBpy-COOHOBpy-CAASolución y tratamiento térmico

• Yacimiento de calcio y titanio: recubrimiento giratorio de una brecha de banda específica(1.57eV)O1,53eV)Solución precursora de perovskita, con antisolvente añadido en el proceso(Clorobenceno o acetato de dietilo(...)Promover la cristalización, tratamiento térmico posterior

• Capa de transporte de agujeros: pintura giratoriaEspiro-OMeTADSolución

• Preparación de electrodos:

• Batería de un solo nudo: plateada al vapor en caliente(Ag)Como electrodo superior

• Batería translúcida y batería superior en serie de cuatro terminales: depósito en ordenAu / MoO3Capa de amortiguación,informaciónElectrodos transparentes,AgCuadrícula, última adiciónMgF2Recubrimiento antirreflectante

3. Batería inferior de Heterounión de silicio(Para estructuras en serie de cuatro terminales(...)

• El grabado de obleas de silicio forma una textura piramidal y se limpia de manera estándar

• a través dePECVDPelículas de silicio multicapa depositadas como capas pasivadas y dopados

• SalpicadurasITOY recocido, finalmente evaporadoAgElectrodos

Evaluación de la estabilidad

• Estabilidad de almacenamiento: componentes no encapsulados en aire ambiente(30%Humedad relativa, temperatura ambiente(...)Monitorear el rendimiento en ciclos diurnos y nocturnos

• Estabilidad operativa: rastreo de puntos de potencia máxima bajo luz solar constante(Seguimiento MPP)

• Estabilidad estructural: las películas de Perovskita envejecen en el aire ambiente y se realizan regularmenteXRDMedición y seguimiento de cambios en la estructura cristalina

Figura 1c

Métodos de caracterización y resultados

División del nivel de energía cuasifemi(QFLS) /Tensión de circuito abierto implícita(iVOC)

QFLSSe miden los electrones en los dispositivos-El grado máximo de separación de energía alcanzado por el par de agujeros bajo la luz,QFLSSe basa en la tasa cuántica de fotoluminiscencia.(PLQY)Los resultados de la medición se calculan y pueden considerarse como la tensión máxima teórica de circuito abierto.(iVOC)Refleja directamente la magnitud de las pérdidas compuestas no radiantes. Los resultados del estudio muestran que,Bpy-CAAPuede minimizar eficazmente las pérdidas compuestas no radiantes de la interfaz.

ImagenS36b: se comparan los componentes de semipila en diferentes sustratosQFLSValor. En comparación con las películas de Perovskita pura1.226 eV,Bpy-COOH/De muestras de PerovskitaQFLSSe redujo significativamente a1.201 eV, yBpy-CAA/Las muestras de mineral de calcio y titanio se muestran como1.216 eV. Esto muestraBpy-CAAAyuda a mejorar la alineación de los niveles de energía y pasivar los defectos superficiales de la perovskita, minimizando así las pérdidas compuestas no radiantes de la interfaz.

El nuevo lanzamiento de guangyan TechnologyMapeador QFLS¡¡ predecir los límites de los materiales!

Enlitech Mapeador QFLS，1 / 5El precio del equipo está listo para usarMapeoProducción funcionalImagen QFLS¡¡ visualizar la distribución general del nivel de energía cuasi - fermi, las ventajas y desventajas de los materiales se pueden ver de un vistazo!

Sigue a nosotros y consigue más noticias actualizadas¡!

Eficiencia de conversión de potencia(PCE)y Densidad de corriente-voltaje(J-V)Curva

J-VLa curva proporciona eficiencia de conversión de potencia(PCE), tensión de circuito abierto(Voc), densidad de corriente de cortocircuito(Jsc)Y el factor de relleno(FF)Y otros parámetros clave. Utilizado por el equipo de investigaciónEnlitech SS-XSimulador de luz solar, simulaciónAM 1.5G (100 mW/cm)²(...)Medición en condiciones de luz solar.

1. Células solares de Perovskita translúcidas superiores(ST-PSC):En usoBpy-CAAProcesadoSnO2Bajo la interfaz, se implementa 20,60%dePCE,Vocpara1,209 V,JSCpara20,85 mA/cm²,FFpara81,73%.

2. Heterounión de silicio inferior(SHJ)Células solares:En la parte superior del pasoST-PSCDespués de filtrar, todavía contribuyó 10,23%dePCE.

3. En general4T-P/STSCs:La suma de la eficiencia de las baterías superiores e inferiores alcanza 30,83%.

Imagen7b: muestra usar o no usarBpy-COOHyBpy-CAAProcesadoSnO2deST-PSCsdeJ-VCurva. La imagen muestra intuitivamenteBpy-CAAEl rendimiento de los componentes procesados ha mejorado significativamente.

Imagen7c: se muestraST-PSCsEnImplementación libreBajo la luz lateralJ-VCurvas y pasesST-PSCsDe células solares de silicio filtradasJ-VCurva. Presenta el rendimiento de cada subclase de la batería en serie y finalmente se resume30,83%TotalPCE.

Tabla 1: detalla lo que ha pasado o noESMLsProcesadoSnO2Brecha de banda ancha de mejor rendimientoST-PSCsY apilado4T-P/STSCsParámetros fotovoltaicos

Eficiencia cuántica externa(EQE)

EQESe ha medido la eficiencia de las células solares para convertir fotones incidente en corrientes electrónicas en diferentes longitudes de onda, y sus valores integrales deben coincidir conJ-VMedida de la curvaJSCLos valores coinciden. Utilizado por el equipo de investigaciónEnlitech QE-RSistema de medición de la eficiencia cuántica,Y la intensidad de la luz de cada longitud de onda se calibra con células solares de referencia de silicio monocristalino estándar.

EstudiadoEQELos resultados confirmanST-PSCySHJEl uso efectivo de la subclase del espectro solar y la integraciónJSCValor yJ-VLos resultados de las mediciones fueron consistentes.

ImagenS40b: se muestraST-PSCBatería superior y pasoST-PSCDe la batería inferior de silicio filtradaEQEEspectro. La batería superior absorbe principalmente la luz de onda corta y larga, mientras que la batería inferior utiliza eficazmente la luz de onda larga transmitida, lo que explica su alta eficiencia de serie. Sus puntosJSCLos valores son20,59 mA/cm²(Arriba(...)y18,47 mA/cm²(fondo(...)

Fotoluminiscencia analítica en el tiempo(trpl)

Secuencia líderPara medir transportistas fotogénicos (electrónicos)-La vida útil de los pares de agujeros y la reducción de la vida útil de los transportistas suelen indicar una extracción de carga más eficaz o una composición más rápida.

Bpy-CAALas películas de Perovskita tratadas tienen una vida útil de portador más corta, lo que indica que su capacidad de extracción electrónica es más fuerte.

ImagenS35: muestra depósitos en vidrio,FTO/Bpy-COOHyFTO/Bpy-CAAPelícula de Perovskita en el sustratoSecuencia líderCurva de atenuación. Esta tendencia demuestraBpy-CAAMejora efectivamente la capacidad de extracción y transmisión electrónica.

Espectro de reflexión instantánea(Espectroscopia TR)

TREl espectro se utiliza para la investigaciónESMLs/Dinámica del portador en la interfaz de perovskita, especialmente en la profundidad de detección (aproximadamente20 nm) vida útil de la compañía en el Interior. Resultados ySecuencia líderConsistencia, todo demostradoBpy-CAAExcelentes características de extracción electrónica.

Imagen5a-c: muestra depósitos en diferentes sustratos..FTO/Bpy-COOHyFTO/Bpy-CAA(las películas de Perovskita en) se bombean en diferentes longitudes de onda de detección-Mapa de pseudo - color bidimensional que detecta cambios en la reflectividad en el tiempo de retraso. IndicarBpy-CAATiene mejores características de extracción electrónica.

Mott-Shotki(Mott-Schottky)Imagen

Fuerza motriz para el estudio de transportistas fotogénicos y potencial incorporado de dispositivos(wbi). El estudio encontró que,Bpy-CAADispositivoRelación de tensiónEl mayor valor indica que la alineación de la banda energética se ha mejorado, lo que favorece la separación de los transportistas fotogénicos.

Imagen5d: indica que la alineación de la banda energética se mejora, lo que ayuda a inhibir la recombinación no radiante y mejorarVoc.

Espectro de conductividad térmica(TAS)Densidad del Estado de trampa(tDOS)

TASSe utiliza para caracterizar la densidad de defectos superficiales y profundos. Los resultados muestran que,Bpy-CAAEl dispositivo está en un nivel de energía poco profundo (aproximadamente0,4 eV) entDOSReducción significativa atribuidaBpy-CAAPasivación efectiva de la unidad de pasivación alcalina de Lewis medio.

Imagen5e: mostrando el dispositivotDOSEvolución.Bpy-CAADispositivo en un nivel de energía poco profundotDOSDisminución significativa, lo que indica que defectos como la vacante de yoduro se han inhibido efectivamente.

Espectro de resistencia electroquímica(EIS)

EISPara la evaluaciónPSCCaracterísticas de transmisión de carga en, especialmente resistencia compuesta de carga(rrec). El estudio encontró que,Bpy-CAADispositivoRrecLos valores son significativamente más altos, lo que indicaBpy-CAA/Las pérdidas compuestas no radiantes en la interfaz de Perovskita se reducen.

Imagen5f: prueba contundenteBpy-CAA/Reducción de las pérdidas compuestas no radiantes en la interfaz de perovskita.

Función de trabajo(Función de trabajo, WF)Ajuste y cambio

WFLas mediciones revelanESMLsCómo afectarImplementación libreLa función de trabajo del sustrato afecta así la eficiencia de la extracción electrónica. El estudio demuestra que,Bpy-CAAReducción significativaImplementación libreFunción de trabajo y presenta una función de trabajo más uniforme.WFDistribución, que favorece la extracción electrónica/.Traslado. El descubrimiento clave es Las propiedades electrónicas de las moléculas son más decisivas para la extracción electrónica de alta eficiencia que para la orientación dipolo..

Imagen2a: muestra desnudoImplementación libreY tratados con diferentes materialesImplementación libreDistribución de la función de trabajo. Se puede ver que,Bpy-CAADespués del tratamientoImplementación libreLa función de trabajo se mueve hacia abajo y se distribuye de manera más uniforme.

Evaluación de la estabilidad(Estabilidad de almacenamiento y estabilidad operativa(...)

Se ha llevado a cabo un estudio exhaustivo de estabilidad del dispositivo, incluida la prueba de estabilidad de almacenamiento en el aire ambiente y el seguimiento continuo de los puntos de máxima potencia.(Seguimiento MPP). Los resultados muestran que,Bpy-CAAEl dispositivo muestra estabilidad a largo plazo y estabilidad operativa.

Imagen6d: muestra sin encapsularPSCResultados de las pruebas de estabilidad almacenadas a largo plazo en el aire ambiente.Bpy-CAADispositivo almacenado en el aire 1000 Mantiene su inicial horas despuésPCEde91,2%, yBpy-COOHEl dispositivo solo se mantiene63,4%.

ImagenS43: muestra el EncapsulamientoST-PSCsY sin encapsularSiEn el aire ambiente (aproximadamente30%Humedad relativa, temperatura ambiente) se realizaMPPResultados rastreados.Bpy-CAADispositivo en 500 Mantiene su inicial horas despuésPCEde95%Arriba.

XDesviación de rayos(XRD)

XRDSe utiliza para monitorear la evolución cristalina y la estabilidad estructural de las películas de Perovskita durante el Envejecimiento. Los resultados muestran que,Bpy-CAAReduce efectivamente la degradación de las películas de Perovskita y mantiene una mejor integridad de la estructura cristalina.

Imagen6a, b: rastreado a temperatura ambiente y aproximadamente30%Envejecido a humedad relativaBpy-COOHyBpy-CAAEvolución cristalina de las películas de PerovskitaXRDPatrón. Por el contrario,Bpy-CAADespués de la exposición a la humedad y el oxígeno de la muestra, la intensidad cristalina solo disminuyó ligeramente, destacando su efecto curativo de alivio.

Otras caracterizaciones

1. Análisis de resonancia magnética nuclear y espectrometría de masas(RMN y MS):Caracterización de compuestos sintéticosBpy-CAALa pureza estructural y la corrección,RMN 1HEn el espectro8,25 ppmLas bandas de resonancia de vinilo características cercanas son consistentes con la literatura.(ImagenS6)

2. Análisis termogravimétrico(TGA):Evaluar la estabilidad térmica del material,Bpy-CAAyBpy-COOHLa temperatura de descomposición es aproximadamente200°Cy320°C, muy por encimaPSCTemperatura de funcionamiento típica85°C.(ImagenS8)

3. Ultravioleta-Tasa de penetración de la luz visible(UV-Vis):analizarESMLsPropiedades ópticas, dosESMLsLa absorción en la zona de luz visible es insignificante y correcta.Implementación libreLa penetración óptica del sustrato no tiene un impacto significativo.(ImagenS11)

4. Medición del ángulo de contacto(Ángulo de contacto):EvaluaciónESMLsHumectabilidad del sustrato tratado con la solución precursor de perovskita,Bpy-CAAMuestra un ángulo de contacto más alto26,2 °Ayuda a formar granos más grandes.(Imagen2d, e)

5. Microscopía de fuerza atómica(AFM):Análisis de la rugosidad de la superficie yESMLsEspesor, después del tratamientoImplementación libredeRMSLa disminución de la rugosidad indica una mejora del contacto de la interfaz.(ImagenS13)

6. Cálculo de la teoría funcional de densidad(DFT):Potencial electrostático electrónico Molecular simulado y momento dipolo, el cálculo muestraBpy-CAATiene un momento dipolo más grande y una intensidad de adsorción significativamente mayor.(Imagen2 horas)

7. Espectro infrarrojo de conversión de FFT(FTIR):ExplorarESMLsInteractúa con la perovskita,Bpy-CAAcentroC = OyC = NSe confirma el desplazamiento de la frecuencia de extensiónPb2+Con PiridinaNInteracción de coordinación Atómica.(ImagenS20)

8. XEspectro fotoelectrónico de rayos X(XPS):Estudio de la Perovskita yESMLsInteracción electrónica,Pb 4fEl Movimiento de energía de Unión de pico a alto indicaPbEl Estado de oxidación aumenta yBpy-CAAEl desplazamiento es más obvio.(ImagenS21)

9. Microscopio electrónico de barrido(SEM):Observando las características morfológicas de las películas de perovskita,FTO/Bpy-CAALa película muestra uniformidad y cobertura completa, con granos más grandes y superficies lisas.(Imagen3c, d)

conclusión

El equipo de investigación se centra en el desarrollo de nuevas capas moleculares selectivas electrónicas bifuncionales..ESMLs) para mejorar las células solares de perovskita..PSC) eficiencia y estabilidad

Descubrimiento de investigación básica y diseño de materiales

·Romper la percepción tradicional: el estudio encontró que la regulación de los óxidos conductores transparentes..TCO) en la función de trabajo,La fuerza y la debilidad de la modificación de la superficie sin electrones son mucho mejores que la dirección tradicional del dipolo de interfaz..

·Nuevo tipoESMLs Bpy-CAADesarrollo: bifuncional bipiridilESMLs()Bpy-COOHEl Grupo de ácidos nucleicos en (se sustituye porGrupos cianoarílicos con mayor capacidad de absorción de electrones..Bpy-CAA(...)Ha mejorado con éxito su rendimiento.

·Características de doble función:Bpy-CAAátomos de nitrógeno básico de Luis con grupos de ácidos nucleicos y complejos al mismo tiempo, que pueden anclar firmementeTCOEl sustrato también pasiva eficazmente los defectos de perovskita.

Bpy-CAAVentajas y mecanismos clave:

·Fortalecimiento de la regulación y el control de la función de trabajo:Bpy-CAADopaje de flúor con óxido de estañoImplementación libreLa función de trabajo4,74 eVBajar aún más4,48 eVY la distribución de la función de trabajo es más uniforme (el cambio de superficie es0,05 eV), que demuestra el papel principal del fenómeno de la falta de superficie electrónica.

·Excelente adsorción y calidad de la película:Bpy-CAACorrectoImplementación libreLa resistencia a la adsorción en la superficie ha aumentado significativamente (el valor de la energía de adsorción es más negativo, alcanzando-5,22 eVA-7,60 eV(...)[1, 13, S18]Y bajarImplementación libreRugosidad de la superficie[14, S19], que promueve la deposición de películas de Perovskita de alta calidad yCrecimiento del grano(el ángulo de contacto alcanza26,2 °).

·Pasivación eficiente de defectos y transferencia de carga eléctrica:Bpy-CAAA través de yPbI2La fuerte acción de coordinación pasiva eficazmente los defectos de la interfaz (como las vacantes de yoduro) y reduce los defectos profundos y el contenido de plomo metálico. Los análisis eléctricos y espectrales confirman que,Bpy-CAAMejora significativamente la eficiencia de extracción y transmisión electrónica, inhibe las pérdidas compuestas no radiantes y mejora la alineación de bandas energéticas (mayor potencial incorporado, hasta1,088 V).

Avances en el rendimiento de las células solares de perovskita:

·Nudo únicoPSCEficiencia:Bpy-CAAEl dispositivo se ha logradoHasta23,98%Eficiencia de conversión de potencia..PCE(...), más alláBpy-COOHDispositivos..23,20%). Esto es orgánico.ESMLsAplicar aPSC n-i-pUna de las eficiencias reportadas en el informe.

·Rendimiento de dispositivos a gran escala: en1 cm²Dispositivos de gran áreaEn medio,Bpy-CAAEl dispositivo se mantiene21,63%dePCE, es1 cm²PSC n-i-pUso orgánico enESMLsAlta eficiencia reportada.

·ySnO2CompuestoESLIntegración: seráBpy-CAAIntegrado como capa de interfazSnO2/En contacto con perovskita, un solo nudoPSCdePCEAlcanzar26,00%.

·Perovskita de cuatro extremos/.Células solares en serie de silicio4T-P/STSCs(...): Esta estrategia se aplica aún más a4T-P/STSCs, logrado30,83%EficienciaOcupando el lugar reportado hasta ahora4T-P/STSCsEntre las eficiencias.

Mejora de la estabilidad del dispositivo:

• Bpy-CAAEl dispositivo muestra estabilidad a largo plazo, en el aire ambiente (humedad relativa de aproximadamente30%) en almacenamiento1000Horas después, se mantiene su inicialPCEde91,2%, mucho mejorBpy-COOHDispositivo63,4%. Esto se atribuye aBpy-CAAEnergía de adsorción más fuerte en la interfaz con Perovskita en presencia de agua y oxígeno[30, S38]Esto reduce efectivamente la descomposición de la estructura cristalina de la perovskita.

Referencias documentales del Journal of the American Chemical Society doi: 10.1021 / jacs.5c07357

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.