Antecedentes y desafíos de la investigación

Células solares de perovskita..PSCAunque muestra avances en dispositivos de pequeña área, peroMódulos de gran área..PSMEl cuello de botella de rendimiento sigue siendo un obstáculo clave para la comercializaciónEl problema fundamental es queDificultades en el control de calidad de las películas de Perovskita a gran escala.

En comparación con la preparación de pequeñas áreas en un entorno inerte de laboratorio,La fabricación a gran escala se enfrenta a complejos controles dinámicos de cristalización y estrictos desafíos ambientales.Lo que resulta en una pérdida significativa de eficiencia desde la batería hasta el módulo. Las principales dificultades técnicas incluyen:

1. Complejidad del control del procesoLa preparación de la solución implica una coordinación precisa de la concentración del precursor, las características del disolvente y los parámetros del proceso. la interacción de estos factores hace que la formación de películas densas y uniformes sea desafiante y limita la amplia ventana de operación necesaria para el proceso a gran escala.

2. Contradicción de estabilidad de materiales: aunque con formamidinaFA) o cesioCs) Sustituir las metilaminas volátiles..MA) puede mejorar la estabilidad térmica, peroNadaMAdeFACLa Perovskita es propensa a producir malas fases intermedias y el comportamiento de cristalización es difícil de controlar.Y en excesoCsEsto dará lugar a un refinamiento del grano y una disminución de la cristalinidad. Además,FA+El gran tamaño de los iones es propenso a producir cepas residuales dañinas en la película.

3. Sensibilidad ambiental: la humedad y el oxígeno en el aire son altamente reactivos al Haluro de plomo y perovskita, lo que puede desencadenar transformaciones de fase destructivas y desintegración estructural, lo que afecta gravemente la estabilidad del dispositivo.

4. 研究策略局限: los métodos existentes de regulación de componentes e ingeniería de aditivos se centran principalmente en una sola orientación.Falta de una estrategia integrada para resolver simultáneamente el control de cristalización y la estabilidad ambientalHacer que la preparación sea de alta calidad y gran áreaFACLas películas de Perovskita siguen siendo un gran desafío técnico.

Equipo de investigación

Este estudio fue elaborado porEquipo de Chen Wei de la Universidad de Ciencia y tecnología de HuazhongPublicado en revistas académicas".Materiales energéticos avanzadosLibro.El equipo de investigación propone la introducción de aditivos bifuncionales- -Mercaptoacetamidamercaptoacetamida, MAA) estrategias innovadorasEl objetivo es resolver simultáneamente el doble desafío del control de calidad y la estabilidad ambiental de las películas de Perovskita en la fabricación a gran escala.

MAAEl mecanismo de Acción Central de los aditivosIncluye:

• Regulación de la dinámica cristalina: retrasar la tasa de cristalización, ampliar la ventana del proceso, promover la formación de granos grandes y mejorar la orientación cristalina

• Pasivación de defectos y mejora de la calidad: pasivar eficazmente los defectos vacíos y mejorar la uniformidad y cristalización de la película

• Función de protección del medio ambiente: proteger las películas de Perovskita de daños por degradación y oxidación en el aire con una fuerte reducción

A travésMAAMúltiples interacciones con componentes de perovskita, esta estrategia se ha implementado con éxitoOptimización colaborativa del control de cristalización y la estabilidad ambientalProporciona una solución efectiva para la preparación de películas de Perovskita de gran área y alta calidad.

Métodos experimentales y procesos de investigación

Figura 6a

研究以Aditivo bifuncional mercaptoacetamidaMAA(...)Como núcleo, se ha establecido una ruta técnica completa de dispositivos de área pequeña a módulos de área grande, y el mecanismo de Acción se analiza en profundidad en combinación con cálculos teóricos.

1. Sistema de materiales clave: adoptadoFACSistema de perovskita..FAI,PbI,CsBr), colocaciónC60Capa de transmisión electrónica,poli-4paczCapas monomoleculares autoensambladas e introducción innovadoraMAAAditivos bifuncionales.

2. Ruta técnica del proceso:

l Procesamiento de sustratos y preparación de capas funcionales:Implementación libreDespués de la limpieza estándar, el sustrato se deposita en orden.NiOxCapa de transmisión de la cueva ySAMCapa de interfaz

l Preparación de yacimientos de calcio y titanio: poner diferentes concentracionesMAAIntroducir una solución precursor, utilizandoDepósito por recubrimiento de cuchillas, película de alta calidad formada por tratamiento al vacío y recocido térmico

l Integridad del dispositivo: preparado en ordenPEAICapa pasiva,C₆/ BCPCapa de transmisión electrónica yCuElectrodos.Todos los procesos se completan en ambiente de aire, excepto los electrodos metálicos

3. Verificación a gran escala: ampliación exitosa del proceso a5 x 5 cmy14x14 cmSustrato de gran área, a través de la tecnología de línea láser para lograr la interconexión en serie de baterías secundarias, el factor de llenado geométrico del módulo alcanza96%.

4. Verificación teórica y de rendimiento: teoría funcional de densidad combinadaDFT) Cálculo aclaradoMAAEl mecanismo de inhibición de defectos y las pruebas de estabilidad a largo plazo en condiciones de fotocalor y calor húmedo se llevan a cabo para verificar completamente el efecto del aditivo.

Métodos de caracterización y resultados

División del orden cuasi fermilano(QFLS)

División del orden cuasi fermilanoQFLS) es un puntero clave para medir el potencial de voltaje abierto del material y, al mismo tiempo, puede revelar la fuente de pérdidas compuestas no radiantes. El rendimiento cuántico de la luminiscencia a través de la luz en este estudio..PLQY) MedidasEvaluación cuantitativaMAAEfecto de pasivación de defectos.

Los resultados muestran que,ClásicosMAAPelícula de Perovskita tratada, suPLQYValor hasta0,94%, muy por encima del Grupo de control0,25%. Esto significa una reducción significativa de la recombinación no radiante dentro de la película, lo que indica el rendimiento del dispositivo, especialmente el voltaje de circuito abierto..COV) mejora. SegúnPLQYCálculo del valor,ΔQFLSAumenta34,04 mVEsto y los dispositivos completosCOVEl aumento es consistente.

Figura 4g. Valores de PLQY de las películas de perovskita sin o con MAA depositados en sustratos de vidrio.

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J-VMedición de la curva(corriente eléctrica-Curva de tensión(...)

J-VLa curva se utiliza para medir directamente las células solares y los módulos.Eficiencia de conversión fotoeléctrica(PCE), densidad de corriente de cortocircuito(Jsc), tensión de circuito abierto(Voc)Y el factor de relleno(FF).

Resultados:

¿◦ qué? Dispositivos de área pequeña: Después de la optimizaciónMAACélulas solares de Perovskita procesadas en pequeñas áreas (área efectiva)0,09 cm²) logrado25,52% PCELos parámetros específicos sonCc 24,76 mA cm¿⁻ qué?²,Vol 1.203 VyFF 85,68%. por el contrario, los dispositivos del Grupo de controlPCEpara23,46%, principalmente porVocyFFDisminución significativa. Además,MAAEl índice de retraso del dispositivo..Índice H) para0,63%, significativamente mejor que el grupo control2,17%

¿◦ qué? Módulos medianos: Ampliar el proceso a11,09 cm²El módulo,MAAEl módulo procesado se implementa bajo escaneo inverso 22,87%dePCE(estabilidadPCEpara22,48%), suVocpara5,952 V,Jsc 4,70 mA cm¿⁻ qué?²,FF 81,75%Y muestra una buena reproducibilidad. ModularÍndice Hpara1,48%El Grupo de control es2,61% [S5].

¿◦ qué? Módulo de gran área: En una superficie más grande..113.00 cm²En el módulo,MAALos dispositivos procesados también se han logrado 20,18%dePCE.

Figura 6b. Curvas J-V de los PSC campeones para el control y MAA

Figura 6c. Curvas I-V de PSM campeones sin o con modificación MAA (área de apertura 11,09 cm2, 5 subcélulas)

Figura 6f. Curvas I-V de PSM campeones con modificación MAA (área de apertura 113,00 cm2, 14 subcélulas)

En la medición de la eficiencia de las células solares,EnliTechdeSS-X AM1.5GSimulador de luz solar espectral estándarProporcionadoEstable y precisoAM1.5GFuente de luz, su A+Nivel espectralSe garantiza el uso de nuevas células solares como la Perovskita/.Caracterización precisa de las baterías laminadas de silicio).

Eficiencia cuántica externa(EQE)Espectro

EQEMedición espectral paraEvaluar la eficiencia de los dispositivos para convertir fotones incidente en electrones (corrientes) bajo diferentes longitudes de onda de luz. puede verificarJ-VObtenido de la mediciónJSCY proporciona las características de respuesta del dispositivo en diferentes rangos espectrales.

Los resultados muestran que el dispositivoEQEIntegración espectral JSCEl valor es23,73 mA cm¿⁻ qué?², yJ-VLos resultados de las mediciones fueron consistentes.()Figura S24(...)

Para el análisis de la eficiencia cuántica de las células solares,EnliTechdeQE-RSistema de medición de eficiencia cuánticaEs global1000Múltiples artículosSCILa elección de la confianza de la tesis. Ofrece EQE/IQE/IPCE/SRCapacidad de prueba, con 300-2500 nmAmplio rango de longitud de ondayPor encima99,5%Repetibilidad.

Otras caracterizaciones

Análisis de la morfología y la estructura cristalina de las películas finas(SEM, AFM, XRD, GIWAXS) EvaluaciónMAAEfecto sobre la microestructura de las películas de perovskita.MAADespués de la introducción, el tamaño del grano es de199 nmAumentar386 nm, la rugosidad de la película se reduce,(100)La orientación prioritaria del cristal se fortaleció y la tensión de tracción residual se redujo significativamente.(Figura 2a-i)

Análisis de la dinámica de la compañía(PL, TRPL, FLIM) Evaluar el efecto de pasivación de defectos y las características de transmisión de carga eléctrica.MAADespués del tratamientoPLLa resistencia aumenta significativamente, y la vida útil del portador varía de366,9 nsExtendido a867,1 ns,FLIMLa eficiencia de extracción electrónica de la interfaz de visualización se mejora.(Figura 4d-f)

Estructura de la banda energética y potencial superficial(UPS, KPFM) analizarMAAEl efecto regulador sobre la alineación de los niveles de energía.MAAEl procesamiento hace que la función de trabajo se mueva hacia arriba y el Fondo de la banda Guía se mueva hacia arriba en consecuencia, y la película es más fuerte.nCaracterísticas de tipo,KPFMMuestra que la distribución del potencial superficial es más uniforme, lo que favorece la transmisión de carga eléctrica.(Figura 4a-c)

Monitoreo en tiempo real de la dinámica de cristalización(Microscopía óptica in situ,In situPL) RastreoMAAMecanismo de regulación y control del proceso de cristalización.MAARetrasar significativamente la tasa de cristalización, ampliar la ventana del proceso, durante el proceso de recocidoPLLa resistencia mejora continuamente y la calidad de la película de visualización mejora.(Figura 3a-h)

Verificación del cálculo teórico(DFT) AclararMAAEl mecanismo molecular de la inhibición de defectos. Los resultados del cálculo muestranMAADespués de la adsorción, la formación de defectos vacíos puede aumentar y inhibir eficazmente.VPb,VI,VFAY otros defectos se forman.(Figura 4h)

Estabilidad térmica y antioxidación(Cambio de temperatura in situXRD,Análisis de espectrometría de masas(...) EvaluaciónMAAEfecto protector sobre la estabilidad del material.MAALa temperatura de descomposición térmica de la película es de160°CAscender a180°C, con restauraciónI2paraYo¿⁻ qué?La capacidad de inhibir eficazmente la oxidación de los precursores.(Figura 5a-i)

Estabilidad operativa a largo plazo(Luz y calor/.Prueba de calor húmedo(...) Verificar la durabilidad del paquete en el entorno de aplicación real. En condiciones fototérmicas1120Se mantiene después de las horas94,5%Eficiencia, en condiciones de humedad y calor550Se mantiene después de las horas95,6%Eficiencia.(Figura 6g-h)

conclusión

El equipo de investigación desarrolló con éxitoMercaptoacetamidaMAA) Estrategia de aditivos bifuncionalesResolver sistemáticamente los desafíos de control de cristalización y estabilidad ambiental en la fabricación de módulos solares de Perovskita a gran escala.

Avances tecnológicos básicos:

1. Optimización de la dinámica de cristalización:MAARetrasar la tasa de cristalización y ampliar la ventana del proceso, el tamaño del grano comienza desde199 nmAumentó significativamente386 nm，(100)La orientación prioritaria del cristal se ha fortalecido y la tensión residual se ha reducido considerablemente.

2. Pasivación de defectos de alta eficiencia: la vida útil del portador es de366,9 nsExtendido a867,1 ns,PLQYdesde0,25%Ascender a0,94%,DFTConfirmación del cálculoMAAInhibir eficazmente la formación de defectos de vacantes.

3. Regulación de la banda energética y transmisión de carga eléctrica: función de trabajo de-4,85 eVAjustar a-4,64 eV, el cinturón Guía se mueve hacia arriba para promovernCaracterísticas de tipo, la distribución del potencial superficial es más uniforme y la eficiencia de extracción electrónica de la interfaz se mejora.

4. Mejora de la estabilidad ambiental: temperatura de descomposición térmica de160°CAscender a180°CLo anterior,MAALas características de reducción de la aleación inhiben efectivamente la oxidación de los precursores y mejoran la estabilidad intrínseca del material.

5. Rendimiento del dispositivo:

• Área pequeñaPSCAlcanzar25,52%alta eficiencia

• 11,09 cm²Implementación del mini módulo22,87% PCE(eficiencia estable22,48%(...)

• 113.00 cm²Los módulos de gran área alcanzan20,18% PCE

Excelente rendimiento de estabilidad a largo plazo: condiciones fototérmicas1120Se mantiene después de las horas94,5%Eficiencia, condiciones de humedad y calor550Se mantiene después de las horas95,6%Eficiencia

Referencia documental de Advanced Energy Materials doi: 10.1002 / aenm.202502193

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