Antecedentes y desafíos de la investigación

PSCEl cuello de botella clave de la comercialización radica en la reproducción insuficiente del proceso de pasivación de defectos. Este estudio aborda los tres desafíos centrales que enfrenta este campo:

1. Variabilidad del Estado de la superficie: el Estado de la superficie de la película de Perovskita es significativamente diferente entre diferentes lotes y operadores, incluso pequeñas fluctuaciones del proceso (temperatura, relación estequimétrica, humedad) pueden conducir a una distribución muy diferente de defectos, lo que dificulta la reproducción del efecto de pasivación.

2. El control de la concentración del mejor pasivador es difícil: las estrategias tradicionales requieren encontrar un equilibrio entre la reparación de defectos y la transmisión de carga eléctrica (concentración óptima)C*Sin embargo, la variación del Estado de la superficie hace que las mejores condiciones establecidas no puedan reproducirse a través de experimentos e incluso tener efectos negativos.

3. Limitaciones inherentes al modo de pasivación convencional:CPLos cambios en la concentración del pasivador en modo afectan significativamente la alineación de su distribución con el nivel de energía y la reproducibilidad. El pasivador excesivo es fácil de formar polvo residual y fase de baja dimensión, lo que resulta en una resistencia de interfaz demasiado alta, una disminución del rendimiento del dispositivo y problemas de estabilidad inicial.

Equipos de investigación y solucionesmétodo

Esto sobre las células solares de perovskita..PSC) Investigación sobre la estrategia de pasivación de defectos, realizada porWang rui, Universidad de West lake, y el Profesor Xue jingjing, Universidad de ZhejiangCompletado por un equipo de co - liderazgo. Sus resultados se publican en las mejores revistas internacionales. Energía natural..Naturaleza Energía(...)Arriba.

El equipo de investigación propuso:Pasivación saturada "Pasivación saturada, SP) nuevas estrategiasPara resolver los desafíos anteriores con un innovador método de dos pasos:

Paso 1: regulación de la actividad

Uso de alcohol polivinílico fluoradoFestival Internacional de televisiónReducir la actividad de reacción y la capacidad de penetración de las moléculas de pasivadores, permitiendo el uso de altas concentraciones de pasivadores para garantizar la pasivación adecuada de todos los defectos superficiales, evitando al mismo tiempo reacciones excesivas y la formación excesiva de fases dañinas de baja dimensión.

Paso 2: limpieza precisa

adoptarFestival Internacional de televisiónCon alcohol isopropílico..IPA(enjuagar con una mezcla de disolventes, eliminar con precisión las moléculas de pasivador no Unido sobrantes, lograr la pasivación saturada de defectos y mantener la capa de baja dimensión en el espesor adecuado.

Resultados de la investigación clave

Figura 3i

1. FIPAEl mecanismo del disolvente:Festival Internacional de televisiónLos átomos de flúor medio forman fuertes enlaces de hidrógeno con pasivadores de sal de amonio..H-FEnlace de hidrógeno), pasivador inhibidor competitivo yPbI2La reacción excesiva reduce efectivamente la actividad de reacción y la capacidad de penetración del pasivador y evita la formación excesiva de fases dañinas de baja dimensión.

2. Ampliar significativamente la ventana de operación :SPLa estrategia tiene una alta tolerancia a las desviaciones de concentración de pasivadores, en comparación con los tradicionalesCPEl modo proporciona un rango de concentración más amplio y adecuado, lo que mejora considerablemente la reproducibilidad del proceso.

3. Rendimiento del dispositivo

• Avance de la eficiencia:n-i-pBaja brecha de bandaPSCLlegar25,6%,p–i–nBaja brecha de bandaPSCLlegar26,0%,p–i–nBrecha de banda anchaPSCLlegar23,0%,1 cm2Gran áreaPSCLlegar24,5%

• Mejora de la estabilidad:1000Se mantiene por encima de las horas después del envejecimiento acelerado80%InicialPCELa estabilidad inicial es significativamente mejor.CPDispositivos

• Disminución del retraso: la pasivación de defectos inhibe eficazmente la migración de iones

4. Verificación generalizada de la universalidad SPLa estrategia se aplica a:

• Diferentes estructuras de dispositivos..n-i-p,p–i–n(...)

• Una variedad de composiciones de Perovskita (diferentesbrContenido)

• Diversas técnicas de preparación (método de dos pasos, método de depósito antisolvente)

• Diferentes entornos de preparación (nitrógeno, aire)

• Área de varios dispositivos (más notable para dispositivos de gran área)

• Se puede lograr a través del método de inmersión, con potencial de industrialización

Pasos y procesos experimentales

Figura 4j

1. Preparación de películas de Perovskita Verificación con dos métodos de depósito principalesSPUniversalidad de la estrategia:

• Método de dos pasos: recubrimiento giratorio estratificadoPbI2Soluciones yFAI/MAClRecocido después de la solución, adecuado paran-i-pyp-i-nPerovskita con baja brecha de banda y Banda Ancha en la estructura

• Método de depósito antisolvente: añadir antisolvente (anís o acetato de dietilo) durante la aplicación rotativa de la solución precursora y retroceder al fuego

El entorno de preparación cubre la guantera de nitrógeno (alta pureza) y el ambiente de aire..25 - 30%Humedad, simulando las condiciones reales de producción).

2. Montaje de dispositivos

• Estructura del sustrato:ITOOImplementación libreDepósito de electrones en un sustrato de vidrio/.Capa de transmisión de la cueva eléctrica..SnO2,2PACz,NiOx / Me-4PACZEtc.)

• SPTratamiento pasivado: pasivador de sal de amonio de alta concentración..PEAI(etc.) disuelta enFestival Internacional de televisiónRecubrimiento de rotación media a la superficie de perovskita, seguido deFIPA / ipanEnjuagar con una mezcla de disolventes para eliminar las moléculas sobrantes.p-i-nLos dispositivos estructurales requieren un breve recocido a baja temperatura

• Alternativas: verificar la viabilidad del método de inmersión en lugar del método de pintura giratoria

• Electrodos completados: material de transmisión de agujeros depositados..Espiro-OMeTAD) o capa de extracción electrónica..LiF / C60 / BCP), finalmente electrodos metálicos al vapor

3. Prueba de rendimiento Medición en condiciones estándarJ-VCurva característica, obtenidaPCE,COV,JSC,FFY otros parámetros clave. Todas las mediciones no han sido pretratadas y están especialmente dirigidas1 cm2Una gran área de dispositivos realiza una evaluación del potencial de industrialización.

Métodos de caracterización y resultados

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

Evaluar el efecto de pasividad de los defectos de las películas de Perovskita y la capacidad de inhibición de las pérdidas compuestas sin radiación,QFLSMejorar los dispositivos de correlación directaCOVyFFMejorar.

ClásicosPEAI/FIPA de 100 mMPelícula de Perovskita tratadaQFLSfilmLa mejora alcanza17,5 mV, significativamente mejorPEAI/IPAProcesado12,8 mV. los pasos de limpieza seránPEAIEl polvo se disuelve o2DLa degradación de la fase reduce la mejora, peroIPADespués de la limpiezaQFLSfilmLa mejora es ligeramente superiorFestival Internacional de televisiónlimpiar.SPPelícula tratadaQFLSfilmMejora continua,PLNo se observa visibilidad en el espectro2DEl Pico de emisión de fase confirmó que el efecto de pasificación era estable.

ImagenS 12 ExhibiciónPEAI/FIPA de 100 mMyPEAI/IPALa película tratada no se limpia,Festival Internacional de televisiónLimpieza,IPALimpiar en tres condicionesQFLSfilmMejorar el contraste.PEAI/FIPALas muestras no limpiadas muestran la mayor mejora(17,5 mV)Muestra intuitivamente la influencia de diferentes pasos de tratamiento y limpieza de disolventes en el efecto de pasivación de defectos.

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Densidad de corriente-voltaje(J-V)Curva

Caracterizar los parámetros de rendimiento central de las células solares y reflejar la transmisión de carga eléctrica del dispositivo y el rendimiento fotovoltaico general.

SPLas estrategias han mejorado significativamente variosPSCdePCERendimiento.Cs0.05FA0.95PbI3 p-i-nDispositivos estructurales clásicosPEAI-SPDespués del tratamiento,PCEAlcanzar25,5%()COV = 1,17 V,FF = 83,00%,JSC = 26,30 mA cm^-2). Esta estrategia se aplica a los diferentes componentes de la perovskita..20% de FAPbBr₃O40% de MAPbBr₃Dopaje), diferentes métodos de preparación y diferentes entornos muestran una excelente versatilidad.SPLa pasivación reduce efectivamente el retraso, lo que se debe a que la pasivación de defectos inhibe la migración iónica.

Imagen4a Dispositivos de referencia de exhibición yPEAI-SPProcesadoCs0.05FA0.95PbI3 p-i-nDispositivos estructuralesJ-VComparación de curvas yPCEHistograma estadístico.SPLa curva del procesador es más "cuadrada" y se muestraMayor factor de llenado y eficiencia de conversión de potencia,PCEDistribución más concentrada y mayor promedio, destacandoSPEl efecto significativo de la estrategia en la mejora del rendimiento y la repetibilidad del dispositivo.

Eficiencia cuántica externa(Eficiencia cuántica externa, EQE)

La eficiencia de convertir fotones incidente en corriente de salida bajo diferentes longitudes de onda de luz refleja directamente la capacidad de respuesta espectral del dispositivo y la eficacia de la utilización de la luz solar. Medición adoptadaEnliTech QE-RSistema de medición de eficiencia cuántica.

EQESoporte de datos espectralesJ-VMedida de la curvaJSCValor, verificar aún más el rendimiento del dispositivo en cada región espectral y confirmarSPCapacidad de conversión fotoeléctrica del dispositivo después del procesamiento estratégico.

ImagenS 22a ExhibiciónCs0.05FA0.95PbI3 p-i-nDispositivos estructuralesEQEEspectro. El dispositivo está en la región de luz visible y infrarrojo cercano (aproximadamente300-850 nm) PresentaciónAlta eficiencia cuántica, pico cercano90%Se confirma que el dispositivo tiene una capacidad de absorción de luz de alta eficiencia y recolección de carga eléctrica en este rango de longitud de onda.

Rastreo de puntos de potencia máxima(Seguimiento MPP)

La salida de corriente de los monitores cambia con el tiempo bajo iluminación constante y voltaje de sesgo, y se evalúa la estabilidad de funcionamiento a largo plazo, especialmente el rendimiento en condiciones de envejecimiento acelerado.

En condiciones de prueba de envejecimiento acelerado simulado..65°C,N₂En la guantera0.8Doble luz solar,SPLa estrategia muestra estabilidad.SPEl dispositivo está en1000Se mantiene más de una hora después de la prueba.80%InicialPCE, mientras que la pasivación tradicional(CP)El dispositivo fue260Dentro de las horasPCELa fuerte caída, incluso por debajo del Grupo de control, se atribuyó a la penetración excesiva del pasivador.SPLa estabilidad inicial del dispositivo es significativamente mejor.CPEl dispositivo se debe a la disminución de la penetración del pasivador.

ImagenS 34 En comparación con el Grupo de control no encapsulado,CPySPNormalización de dispositivos en pruebas de envejecimiento aceleradoPCECambia con el tiempo.SPDispositivosPCELa velocidad de atenuación es la más lenta, mostrando la mejor estabilidad a largo plazo, yCPEl dispositivo mostró una disminución significativa del rendimiento en la etapa inicial de la prueba.

Otras caracterizaciones

1. Resolución angularXEspectro fotoelectrónico de rayos X(AR-XPS) : análisis de la distribución profunda y la capacidad de penetración de las moléculas pasivadoras en películas de perovskita.ConfirmadoFIPA-SPEl modo puede eliminar eficientemente las profundidadesPEAILa superficie tiene un mínimo de residuos y mejora la repetibilidad de la pasividad.(Imagen1d)

2. XDesviación de rayos(XRD) : análisis de los cambios en la estructura cristalina de las películas de Perovskita tratadas con pasivadores y2DFase formada.ConfirmadoFestival Internacional de televisiónInhibición significativaPEAIPico de polvo y2DLa formación de fases inhibe efectivamente la aparición de transformaciones de fase.(Imagen1e)

3. Espectro de fotoluminiscencia(PL) : evaluar la inhibición de la pérdida compuesta no radiológica,PLLa resistencia refleja el efecto de pasivación del defecto.MostrarFestival Internacional de televisiónTiene la capacidad de eliminación molecular del pasivador,IPACuando la relación de volumen aumentaPLLa intensidad aumenta gradualmente.(Imagen3g)

4. Microscopio electrónico de barrido(SEM) : observación directa de los cambios en la morfología de la superficie de las películas de perovskita, especialmentePbI₂Transformación de áreas ricas.ConfirmadoFestival Internacional de televisiónInhibiciónPEAIReactividad, después del tratamientoPbI₂Zona de enriquecimiento(Zona brillante(...)Todavía existe parcialmente.(Imagen1 g)

5. Espectro de resonancia magnética nuclear(RMN)y Espectro infrarrojo de transformación de Ft(FTIR) : disolvente de investigación,PbI₂El mecanismo de interacción Molecular entre ligandos y pasivadores.ConfirmadoFestival Internacional de televisiónLos átomos de flúor medio forman fuertes enlaces de hidrógeno con pasivadores de amonio, lo que dificulta competitivamente la formación de fases de baja dimensión.(Imagen2f)

6. Análisis estadístico de los parámetros fotovoltaicos : evaluaciónSPVersatilidad, repetibilidad y aplicabilidad de la Estrategia.ConfirmadoSPLa estrategia tiene un excelente desempeño en varios dispositivos,1 cm2Gran áreaPSCdePCEdesde21,6%Ascender a24,5%.(ImagenS 24a)

conclusión

Desarrollo exitoso del equipo de investigaciónPasivación saturada..SP) Estrategia, resolver eficazmentePSCEl problema de los efectos inconsistentes causados por la variación del Estado de la superficie en los métodos tradicionales de pasivación mejora significativamente la eficiencia, estabilidad y reproducibilidad del dispositivo.

Avances en la innovación básica:

1. FIPAEl papel clave del disolvente: fluoruro de PropanolFestival Internacional de televisión) reducir significativamente la actividad de reacción de las moléculas pasivadoras con perovskita, en comparación con el alcohol isopropílico tradicional..IPA(asegúrese de que los defectos se pasivan y no interfieran con la transmisión de carga eléctrica.Festival Internacional de televisiónAmpliar la ventana de operación para que la estrategia tenga una alta tolerancia a los cambios de concentración de pasivadores, métodos de deposición y pasivadores compatibles, mostrando una excelente versatilidad.

2. Rendimiento del dispositivo: lograr múltiples avances de eficiencia:n-i-pBaja brecha de bandaPSCLlegar25,6%,p–i–nBaja brecha de bandaPSCLlegar26,0%,p–i–nBrecha de banda anchaPSCLlegar23,0%,1 cm2Gran áreaPSCLlegar24,5%.SPLa Estrategia ofrece un rango de operación más amplio de concentración de pasivadores..PEAI de 20 a 100 mMLa eficiencia se mantiene estable bajo la concentración.25%), inhibir eficazmente el efecto retardado y mejorar significativamente el rendimiento de los dispositivos a gran escala.

3. Excelente rendimiento de estabilidad: en la prueba de vida acelerada..65°C、0.8La luz del sol,N₂Medio ambiente,SPDispositivos1000Se mantiene por encima de las horas80%InicialPCE, mientras que la pasivación tradicional..CP) el dispositivo está por delante260Disminución significativa en horas, incluso inferior a los controles no tratados, atribuida aSPLa estrategia reduce efectivamente la penetración excesiva del pasivador.

4. QFLSMejora significativa:SPLa película tratada muestra la continuaciónQFLSMejorar,PEAI/FIPA de 100 mMPelícula tratadaQFLSfilmLa mejora alcanza17,5 mV, significativamente mejorPEAI/IPAde12,8 mVMuestra un efecto reproducible en la reducción de la pérdida de voltaje de circuito abierto.

Referencia documental de Nature Energy doi: 10.1038 / s41560 - 025 - 01791 - Z

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