Antecedentes y desafíos de la investigación

·El núcleo del desafío de las células solares de Perovskita de alta eficiencia: Aunque el haluro metálico de Perovskita ha mejorado considerablemente el rendimiento de las células solares debido a sus propiedades fotoeléctricas y ha hechoPSCdeEficiencia de conversión de potencia..PCE(...)Se acerca constantemente al límite teórico, pero todavía hay obstáculos significativos en su proceso de optimización.

·Problemas inherentes a los materiales selectivos de agujeros de moléculas pequeñas:

. Problemas de deposición uniforme y aglomeración molecular: Los materiales selectivos de agujeros de moléculas pequeñas existentes, especialmente en el proceso de solución, son difíciles de lograr.Depósito uniformeY efectivoInhibir la aglomeración molecular. por ejemplo, comúnEl Me-4PACzLas moléculas se acumulan significativamente en la solución, y su tamaño de partícula aumenta significativamente con el tiempo de almacenamiento.

. Efectos negativos de la eficiencia, la reproducibilidad y la estabilidad: Esta deposición desigual y el problema de la aglomeración Molecular afectan a laEficiencia y reproducibilidadYEstabilidad operativa a largo plazoConstituye un daño grave.

. Obstaculizar la industrialización y la producción a gran escala: La aglomeración Molecular no solo acorta laVida útil operativaTambién es un grave obstáculo.Proceso continuo a escala industrial, este es elPSCDesafíos clave para avanzar hacia la comercialización.

·Pérdidas de energía y problemas de defectos:

. Material de moléculas pequeñas en la interfaz entre el mineral de calcio y titanio y el sustratoFormación de defectosyEficiencia de transmisión de carga de la interfazLas deficiencias han llevado aCompuesto no radianteQue a su vez afecta a los dispositivosTensión de circuito abierto..COV(...)Y el rendimiento general.

. Dispositivos existentesDivisión del orden cuasi fermilanoQFLS) el valor puede no ser lo suficientemente alto, yEficiencia cuántica de la electroluminiscencia..EL-EQE) relativamente bajo, lo que refleja directamente la pérdida de energía y la densidad de defectos en el interior del dispositivo.

Equipo de investigación y resultados clave

Figura 3i

El estudio fue realizado porZhu zonglong, Departamento de química, Universidad de la ciudad de Hong Kong(Zonglong Zhu)教授、Zeng Xiaocheng(Xiao Cheng Zeng)教授YLi zhongan, escuela de química y química, Universidad de Ciencia y tecnología de Huazhong(Zhong’an Li)教授Equipo, publicado en revistas internacionales de primer nivel Naturaleza Fotónica.

Para resolver las células solares de perovskita..PSC) el problema de la aglomeración molecular y la deposición desigual de materiales de la capa de contacto selectiva de la cueva eléctrica central, así como los desafíos resultantes de la disminución de la eficiencia, reproducibilidad y estabilidad, el equipo de investigación desarrolló y depositó unNuevo tipopTipo de moléculas pequeñasD4PA, formado al mismo tiempo que la película de perovskita,D4PALa clave del diseño molecular está en su Interior.C- -CAcoplamiento. Este diseño de acoplamiento haceD4PACapaz de formar sólidos fuertes con Perovskita y sustratosInteracción de anclaje multipuntoMejorar efectivamente la transmisión de carga eléctrica en la interfaz e inhibir la formación de defectos en el interior del mineral de calcio y titanio; a la vezC- -CLa barrera potencial espacial introducida por el acoplamiento haceD4PAPresenta una conformación molecular distorsionada, lo que inhibe efectivamente la aglomeración de moléculas.

adoptarD4PAEl equipo se realiza en equipos de pequeña área. 26,72%Eficiencia de conversión de potencia certificada(PCE)y26,14%Rastreo de puntos de potencia máxima certificado(MPPT)Eficiencia.

En el área efectiva10,86 cm2 En el Mini módulo de,PCEAlcanzar23,37%, certificaciónMPPTLa eficiencia alcanza22,66%. El dispositivo funciona continuamente en el punto de potencia máxima2.500horaDespués, MantenloEficiencia inicial97,2%arriba.

Procesos y pasos experimentales

Figura 3f

· Síntesis exitosa de nuevos materiales selectivos de agujeros eléctricos: En primer lugar, los materiales básicos se prepararon con éxito a través de una reacción de síntesis orgánica en varios pasos. D4PAMoléculas.

· Optimizar la fórmula de la solución precursora para lograr la codeposición: para lograrD4PACoproducción con películas de perovskita, el equipo de investigación D4PA(los dispositivos de área pequeña son0,35 mg/ml, el Mini módulo es0,32 mg/ml) mezclar directamente en la solución precursor de Perovskita, formandoD4PATinta de perovskita. Este paso garantizaD4PAPuede dispersarse uniformemente e integrarse en el depósito de calcio y titanio.

· Preparación e implementación de dispositivos de pequeña área de alta eficiencia: limpiar y pretratarITODespués del sustrato de vidrio, contendráD4PALa solución precursora de PerovskitaEl método de pintura giratoria se deposita enITOEn el sustratoAl controlar la velocidad de rotación y el tiempo de caída del antisolvente, se forma una película uniforme de perovskita, que luego se somete a un tratamiento de recocido térmico. A continuación, la capa de transmisión electrónica se evapora secuencialmente.(C60, BCP)Y electrodos de plata, y definidos con blindaje metálico0,0412 cm2El área del dispositivo.

· Verificación del proceso del módulo de escalabilidad: para verificarD4PAPotencial de aplicación en procesos a gran escala, el equipo de investigación ajustó la fórmula del precursor de Perovskita y adoptó un sistema más adecuado para la producción a gran escala.Método de raspado(recubrimiento de hoja)IncluiráD4PALa solución se aplica aITOEn el sustrato de vidrio. después de la aplicación, se realiza un recocido térmico y también se evapora la capa de electrodo posterior. Para formar el módulo, también se realizaron dos tallas láser para definir la unidad.

· Evaluación integral de la estabilidad y el rendimiento a largo plazo: dispositivos de área pequeña y mini módulos preparados en una guantera de atmósfera de nitrógeno bajo luz solar simuladaSe ha llevado a caboJ-VCurva,EQEyMPPTPruebas de rendimiento iguales. además, se realizaron miles de horas de trabajo en dispositivos encapsulados MPPTPrueba de estabilidad operativa continuaPara evaluar su fiabilidad operativa a largo plazo.

Métodos de caracterización y resultados

División del orden cuasi fermilanoQFLS

Cuantificar las pérdidas compuestas no radiantes en las películas de Perovskita y reflejar directamente el voltaje máximo de apertura que se puede lograr en el interior del dispositivo.(COV).QFLSEl valor se basa enRendimiento cuántico fotoluminiscente(PLQY) Densidad de corriente saturada compuesta por radiación oscura(J0, rad)Se calcula.

D4PADispositivo baseQFLSEl valor siempre es superiorEl Me-4PACzDispositivos de base, lo que confirma aún másD4PAefectivoInhibición de defectosYMejorar la composición no radiante. en100 mW cm^-2 Bajo la luz, el dispositivoCOVyQFLSLa diferencia entre ellos es casi insignificante, lo que indica una pérdida de voltaje de interfaz extremadamente baja.

Figura 4e:MuestraEl Me-4PACzyD4PAPelículas de Perovskita bajo diferentes intensidades de luzQFLSCurva.

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corriente eléctrica-Características de tensiónJ-VCurva

Evaluar el rendimiento general de conversión fotoeléctrica de las células solares. usarGuangyan TechnologyEnlitechSimulador de luz solar de lámpara de xenónSS-F5, ahoraSS-X), la intensidad de la luz de calibración es100 mW cm^-2Y a través deKeithley 2400Tabla de fuentesIr positivo..-0,1 VA1,35 V) y escaneo inverso..1,35 VA-0,1 V) medición. Para el Mini módulo, el rango de escaneo es-0,1 VA6,2 V.

l El rendimiento de los dispositivos de pequeña área ha mejorado significativamente.:D4PABasePSCLogrado26,83%deeficienteTasa (certificada como26,72%(...)Que es significativamente mejorEl Me-4PACzDel dispositivo de referencia24,97%. mejorD4PADispositivoTensión de circuito abierto(COV)Alcanzar1.200 V(valor de certificación1,197 V(...), densidad de corriente de cortocircuito(JSC)para26,11 mA cm^-2(valor de certificación26,21 mA cm^-2(...), factor de llenado(FF)para85,63%(valor de certificación85,17%).

l Verificación del rendimiento a nivel de módulo: en el área efectiva10,86 cm2En el Mini módulo de perovskita, se ha implementado PCE 23,37%Y certificadoMPPTEficiencia22,66%, verificadoD4PAPotencial en procesos escalables.

Figura 3a:Presenta el usoEl Me-4PACzyD4PAComoHSCDispositivos de mejor rendimientoJ-VCurva.

Figura 3b:MostrarD4PACertificación de dispositivos basadosJ-VCurva.

Figura 3g:MuestraD4PABasado en un mini móduloJ-VCurva.

Eficiencia cuántica externaEQE

Medir la eficiencia de las células solares para convertir fotones incidente en corrientes electrónicas en diferentes longitudes de onda y puede usarse para calcular la densidad de corriente de cortocircuito del dispositivo.(JSC). además,Alta sensibilidadEQE Medición de la densidad de corriente saturada compuesta de radiación oscura que se puede utilizar para evaluar el dispositivo(J0, rad). usoGuangyan TechnologyEnlitechdeQE-R EQEsistemaSe realizan mediciones externas de eficiencia cuántica.Alta sensibilidadEQE Entonces se utilizaGuangyan TechnologyEnlitechdePECT-600sistema(actualFTPS)La corriente se amplifica y ajusta a través del amplificador de bloqueo.

D4PABase yEl Me-4PACzDispositivo baseEQEEl espectro muestra una densidad de corriente de integración similar. Alta sensibilidadEQELa medición muestra,D4PADispositivo J0, radpara5,41 × 10^-21mA cm^-2, significativamente por debajoEl Me-4PACzDispositivo9,87 × 10^-21mA cm^-2, lo que indicaD4PASe reduce efectivamente la composición no radiante del dispositivo.

Figura 3e:PresentadoEl Me-4PACzyD4PADispositivoEQEEspectro.

Figs. 53:MuestraEl Me-4PACzyD4PABasePSCAlta sensibilidadEQECurva.

Eficiencia cuántica de ElectroluminiscenciaEL-EQE

La pérdida de energía de los dispositivos cuantitativos directos en modo electroluminiscente es altaEL-EQEEl valor indica que la pérdida compuesta no radiante del dispositivo es baja. A travésGuangyan TechnologyEnlitechdeEl ELCT-3010Instrumentos(actualREPS)Aplicar tensión externa/.La fuente de corriente se mide.

D4PABasePSCdeEL-EQEHasta 15,25%, muy por encimaEl Me-4PACzde6,23%. Esto demuestraD4PAReduce efectivamente la pérdida de energía del dispositivo.

Figura 4f:ComparaciónEl Me-4PACzyD4PABasePSCEn modo LEDEL-EQEEspectro.

Rastreo de puntos de potencia máximaMPPTPrueba de estabilidad

Evaluar los dispositivos encapsulados en la simulación continua de la luz solar..1 Estabilidad operativa a largo plazo que funciona continuamente en el punto de potencia máxima bajo el sol. EncapsuladoPSCEn ambiente de aire y a temperatura ambiente, en1Equivalencia solarledFunciona bajo la luz. usarMedidor de diferencia de potencial múltipleRastrea la salida del punto de potencia máxima y sigueISOS-L-1Acuerdo.

D4PAEl dispositivo base muestra estabilidad operativa y funciona continuamente en el punto de Potencia máxima. 2.500Después de horas, todavía puede mantener su eficiencia inicial.97,2%arribaQue es mucho mejor que los dispositivos de control..2.500Solo queda una hora después82,7%).

Figura 3i:Muestra que el dispositivo encapsulado es continuo en el punto de Potencia máxima.AM 1,5 GNormalización de la luz solar simuladaPCEEvolución.

Otras caracterizaciones

Cálculo de la teoría funcional de densidad(DFT)cálculo(...) Cálculo y predicciónD4PALa conformación molecular y el comportamiento de Unión de la interfaz, los resultados muestranD4PAEnergía de unión intermolecular baja a través del anclaje de dos sitios(-1.5 eV vs Me-4PACz)de-2.356 eV)Inhibir eficazmente la aglomeración molecular.(Fig.2g)

XEspectro fotoelectrónico de rayos X(XPS) Analizar los Estados químicos de la superficie del material,D4PAEn la películaPbLa desviación obvia del pico característico confirma una interacción de interfaz más fuerte con el yacimiento de calcio y titanio.(Figura 2a)

Espectro infrarrojo de transformación de Ft(FTIR) Rastrear el modo de Vibración molecular con la temperatura,D4PAdeP = OEl Pico de vibración se desplaza y se mantiene estable a baja temperatura, lo que indica que se forma una fuerte Unión sólida en una etapa temprana.(Fig.2c)

Microscopio de fuerza de sonda Kelvin(KPFM) Medir la distribución del potencial superficial,D4PALa película mantiene un potencial superficial uniforme y estable después del calentamiento, lo que confirma queITOLa estabilidad térmica de la Unión se mejora.(Figura 15)

Espectrometría de masas de iones secundarios en tiempo de vuelo(TOF-SIMS) Analizar la distribución profunda de los elementos,P+Visualización de señalesD4PADisperso uniformemente en lugar de concentrado en la interfaz en toda la capa de mineral de calcio y titanio.(Figura 1b)

Dispersión dinámica de la luz(DLS) Monitorear el comportamiento de aglomeración molecular en la solución,D4PAEn12Después de las horas, el tamaño de las partículas solo comienza62 nmAumentar102 nm, significativamente por debajoEl Me-4PACzde211 nmAumentarde 405 nm.(Fig.2i)

Incidencia de pastoreo de gran ánguloXDispersión de rayos yXDifractividad de rayos X(GIWAXS/XRD) Caracterizar la estructura cristalina de la película delgada,D4PABajoQLa intensidad de dispersión de la zona de valor se debilita significativamente, formando una estructura de fase amorfas altamente desordenada.(Figura 24)

Espectro Raman relacionado con la polarización Detectar la orientación de la disposición molecular y confirmar aún másD4PALa estructura única inhibe la pila ordenada de moléculas.(Figura 27)

Mapeo de fotoluminiscencia y fotoluminiscencia resuelta en el tiempo(PL)Mapeo/ trpl) Evaluar la eficiencia de la extracción de carga eléctrica,D4PALa película presenta una resistencia más uniforme y baja.PLDistribución, la vida útil del portador se acorta significativamente, lo que indica que la eficiencia de extracción de agujeros eléctricos se mejora.(Fig.4a-c)

Análisis de la densidad del Estado de trampa(tDOSanalizar(...) Cuantificar la densidad del Estado de trampa,D4PAEl dispositivo base está en la zona de trampa profunda.(0,4-0,5 V)Muestra inferiortDOSSe confirma que pasiva eficazmente los defectos profundos.(Fig.4d)

conclusión

Investigación a través de la IntroducciónNuevo tipopTipo de moléculas pequeñasD4PA, en células solares de perovskita..PSC) se han logrado resultados de investigación innovadores en el campo, lo que ha mejorado significativamente suEficiencia, estabilidad y viabilidad del proceso.

· Diseño molecular único y mecanismo de acción:

o D4PAEs una especie deDímeropTipo de moléculas pequeñas, su分子内C-CAcoplamientoEn dos dibenzos[c, g]Carbazol..DBCEntre unidades, se introdujeron potentesBloqueo potencial espacial.

o Esta estructura haceD4PATenerConformación rígidaY a través deEnlace intermolecular de hidrógenoEstabilizar aún más.

o D4PAPuede yITOFormación de sustratos y yacimientos de calcio y titanioPotente efecto de anclaje multipunto, en particularDoble terminal..2T) configuración de anclaje.

· Inhibición efectiva de la aglomeración molecular:

o D4PAEnergía de unión intermolecular baja (aproximadamente***-1,495 eV**), confirmando su fuerte energía de bloqueo potencial espacialInhibir eficazmente la aglomeración intermolecular.

o DLS,GIWAXSyXRDEl análisis muestra que,D4PASe muestra en la solución precursoraTendencias de aglomeración más bajasY formarEstructura de fase amorfas altamente desordenada, que inhibe efectivamente la pila ordenada y la cristalización de las moléculas.

o Esto garantizaD4PAEn tinta de PerovskitaDispersión uniformeY alarga la solución precursoraVida útil operativa.

· Mejorar la interacción de la interfaz y pasivar los defectos:

o XPSyFTIREl análisis muestraD4PAPresencia entre yacimientos de calcio y titanioInteracción de interfaz más fuerteY se forma en las primeras etapas del crecimiento del granoEnlace sólido fuerte.

o D4PAde2TEnergía de configuración de anclajePasivar eficazmente los defectos profundos en la superficie de la Perovskita(como las vacantes de yodo, las brechas de yodo y el yodo/.La inversión de plomo) reduce significativamente la densidad de Estados de trampa.

o PLImágenes ySecuencia líderLos datos muestran que,D4PAPelícula delgadaLa eficiencia de extracción de agujeros eléctricos se mejora y es más uniforme..

o D4PADispositivo baseDivisión del nivel de energía de cuasi - fermi..QFLS) el valor siempre es altoSe verificó aún más la inhibición de defectos y la mejora compuesta sin radiación.

· Rendimiento del dispositivo:

o Basado enD4PALas células solares de Perovskita se han logrado.Hasta26,83%deeficienteTasa（La eficiencia de la certificación es26,72%), superando significativamente los dispositivos de control.

o Tensión de circuito abierto del dispositivo óptimo..COV) alcanzar1.200 V, densidad de corriente de cortocircuito..JSC) para26,11 mA cm^-2, factor de llenado..FF) para85,63%.

o Rastreo de puntos de potencia máxima certificado..MPPT) eficiencia alcanzada26,14%.

· Excelente estabilidad a largo plazo:

o EncapsuladoD4PAEl dispositivo base muestra estabilidad operativa, en el punto de Potencia máxima..MPP) funcionamiento continuo2.500Se mantiene por encima de las horas97,2%Eficiencia inicial.

o D4PAPelículas yITOLa estabilidad térmica de la Unión aumenta.

o D4PALa tinta de Perovskita tiene un período de almacenamiento más largo,12Después de las horas de almacenamiento,D4PALa eficiencia media del dispositivo solo disminuye ligeramente0,32%Y el dispositivo de tinta de referencia ha bajado1,81%.

· Viabilidad de lograr un proceso a gran escala:

o Este estudio pasa porMétodo de raspadoSe ha fabricado con éxito un área efectiva de10,86 cm2Mini módulo de Perovskita, suLa eficiencia alcanza23,37%（CertificaciónMPPTEficiencia22,66%).

Este resultado muestraD4PAEnSimplificar el proceso continuo de comercializaciónGran potencial en células solares de Perovskita eficientes y escalables.

Referencia documental autoconducción fotonic doi: 10.1038 / s41566 - 025 - 01725 - X

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