Realizações e prioridades da pesquisa

Células solares de perovskite(PSCs)Eficiência significativamente melhorada, mas voltagem de circuito aberto(COV)abaixo do limite teórico. Isso ocorre principalmente devido à incompatibilidade dos níveis de energia e das interfaces críticas (especialmenteO SnO₂/Perda composta não radiológica de perovskita enterrado interface). O defeito da interface enterrada é o principal problema, a regulação precisa desta interface é melhoradaPSCsA chave do desempenho.

Este artigo foi publicado nas principais revistas internacionais.Materiais Avançados (Adv. Mater.)A pesquisa, porUniversidade Politécnica de Hong Kong (Gang Li(professores eKuan LiuEquipe de professoreseUniversidade de Hong KongJinyao Tangprofessores eMingliang LiEquipe de professores associadosliderança comum. ParaCOVProblemas de perda, desenvolveu uma inovação"Enterrar o controle da interface(Regulamento de Interface Enterrada, BIM)“EstratégiaAtravés de um determinadoDerivados de fosfato biparental auto-montados(MeOBTBT-POET)EmO SnO₂/Interface de enterro de perovskita para construir um"Modelo de condução de cristal de perovskita". Este modelo através do firmware-O processo de mudança de fase sólida se auto-monta para formar estruturas supermoleculares altamente orientadas.

Conceitos básicos e mecanismos de açãoA pesquisa se concentra emMeOBTBT-POETMúltiples papéis críticos de modelos supermoleculares na interface enterrada:

•Induzir o crescimento de cristais preferidosPromover a formação de perovskite altamente preferido Na direção para fora.(100)Orientação cristalina, favorece a transmissão vertical do transportador.DFTO cálculo mostra que e(100)Interação Facial(-0,94 eV)- É.

•Alinhamento de nível de energia otimizado e extração de portadores: Momento Dipolar do Material(1,89 D)Ajustar o nível de energia da interface para extrair eletrônicos da barreira0,24 eVBaixar para-0,03 eV14Acelerar a transferência do transportador.

•Passivação ativa de defeitosA estrutura molecular pode ser passivada "positivamente"SnO215 ée perovskita16Defeitos inerentes à interface, inibem eficazmente compostos não radiantes.

Principais resultados da pesquisa

•Eficiência de conversão de potência(PCE): alcançado25.34%AltaPCE- É.

•Perda de tensão de circuito aberto extremamente baixa(déficit de COV)：Realizar o máximoCOV 1,23 VPara.1.536 eVPerovskite de lacunas energéticas,COVPerda apenas0,306 VChegando ao limite teórico97.2%- É.

•Supressão eficaz de compostos não radiológicos:

Eficiência quântica extraluminosa elétrica(EL-EQE)elevação significativa para10.29%- É.

○Eficiência quântica fotográfica(PLQY)Elevar para27.06%- É.

○Divisão de energia quasi-fermiana(QFLS)Perdas de62 megavoltsdiminuiu significativamente para34 megavoltsConfirmação ultra-baixaCOVA perda vem principalmente da eliminação de compostos não radiológicos. A densidade das armadilhas diminuiu significativamente.

•Excelente estabilidade operacional a longo prazo: em condições de teste exigentes(ISOS-L-3: MPP, 65 °C, 50% RH)Realizado mais do que1200Horas.T92Vida útil.

Figura 4e

Equipe de Pesquisa

Este artigo foi publicado nas principais revistas internacionais. Materiais AvançadosO estudo, cuja comunicação éLi Gang, da Universidade Politécnica de Hong Kong（Gang Li(professores eKuan Liu教授e, eUniversidade de Hong KongJinyao Tang教授- É.

Esta importante colaboração de pesquisa reúne as forças acadêmicas da Universidade Politécnica de Hong Kong e da Universidade de Hong Kong e combina equipes de pesquisadores de várias unidades acadêmicas, como a Universidade Chinesa de Hong Kong em Shenzhen e a Universidade Chinesa de Hong Kong, para explorar em profundidade e produtivamente os principais problemas de melhoria do desempenho das células solares de perovskite.

Antecedentes da pesquisa

•Tensão de circuito aberto(COV)Perda muito grande.Apesar do aumento da eficiência,PSCsdoCOVpermanece para trás dos limites teóricos.

•Perdas compostas não radiológicas em interfaces críticas: Isso levouCOVUma das principais causas da perda. especialmenteO SnO₂/Interface de enterro de perovskitaSeus defeitos podem causar graves compostos não radiológicos.

•Defeitos inerentes à interface enterrada：O SnO₂Camada de transmissão eletrônica(ETL)Superfície não posicionadaSn2+ (Sn-OH)Forma armadilhas superficiais, impedindo perovskite eETLEficiência de transmissão eletrônica. Defeitos do perovskite em si (como não posicionado)Pb2+(É também um problema. Os defeitos profundos são o principal centro de compostos não radiológicos.

•O nível de energia da interface não corresponde：O SnO₂Possível extração de eletrônicos na disposição de nível de energia entre perovskite/Barreira de energia de transmissão, desfavorável para a transmissão eficaz do transportador.

•Limitações da passividade de interfaces tradicionais: Embora modificações de interface enterradas (como o uso de camadas monomoleculares auto-montadasSAMou ponte molecular) é vista como uma estratégia de sinergia para resolver falhas, melhorar o contato da interface e alinhamento do nível de energia, e alguns resultados foram alcançados, mas ainda há muito espaço para melhorias adicionais.COV- É.

•Ignoração da disposição molecular da interface e do papel do modeloPesquisas anteriores sobre camadas de inserção de interface, com menos atenção à disposição e orientação dessas camadas moleculares, e seu papel como modelo para regular a formação e a cristalização de películas de perovskite são frequentemente negligenciadas.

•Defeitos na interface afetam a estabilidadeOs centros compostos e defeitos da interface também aceleram a degradação do perovskite sob pressão térmica e umidade.

Figura 3d

solução

A equipe de pesquisa desenvolveu e aplicou uma inovação"Enterrar o controle da interface(BIM)"A estratégia, no seu núcleo, é:

1.Construir um modelo de condução de cristal de perovskite: emO SnO₂Camada de transmissão eletrônica(ETL)Interface enterrada com a camada de perovskita, usando um tipo específico deDerivados de fosfato biparental auto-montados(MeOBTBT-POET) materiais, através de-O processo de mudança de fase sólida forma um modelo supermolecular altamente orientado.

2.O papel multifuncional dos materiais supermolecularesEste:MeOBTBT-POETAs moléculas desempenham vários papéis críticos na interface:

○Induzir o crescimento de cristais preferidos: modelos podem conduzir perovskite em primeiro lugar ao longo(100)Direção Cristal crescendo em direção ao plano externo. Isto é porque...MeOBTBT-POETcom(100)A superfície do cristal interage e fornece força motriz termodinâmica.

○Alinhamento otimizado dos níveis de energia e facilitação da extração de portadores: Momento Dipolar das Moléculas(1,89 D)Regular o nível de energia da interface para reduzir a extração de eletrônicos/Barreira de transferência de energia que permite que os eletrões sejam transferidos de forma mais eficiente do perovskite paraO SnO₂A camada.

○Passivação ativa de defeitosAo contrário dos métodos tradicionais de passividade,MeOBTBT-POETAs partes funcionalizadas da estrutura molecular (especialmente os grupos fosfato)Passivação "positiva"O SnO₂Superfície não posicionadaSn2+defeitos e defeitos relacionados com a camada de perovskite (como não posicionadoPb2+A interação química ocorre, inibindo eficazmente a perda composta não-radiante da interface.

Figura 2c

Processo experimental e passos

1.Preparação de moléculas especiaisPrimeiro, a equipe preparou uma molécula especial de derivados biparentais de fosfato através de um caminho específico de síntese química, chamadoMeOBTBT-POETEsta molécula contém uma molécula rígida.BTBTnúcleo e uma cauda alquilo flexível com o grupo fosfato.

2.piso inferiorO SnO₂Preparação da camada de transmissão eletrônica: Utilização de pesquisaFTO/vidro como base. Depois da limpeza, deposite uma camada por meio de um revestimento rotativoO SnO₂Solução. DepoisO SnO₂O filme é realizado na atmosfera ambiental200 °CTratamento do fogo.

3.MeOBTBT-POETConstrução de camadas de modelo: Após o fogoO SnO₂ O substrato é transferido para dentro da caixa de luvas. Será preparado.MeOBTBT-POETMoléculas dissolvidas em clorobenzeno(Clorobenzeno, CB)no solvente. Essa molécula é usada no perovskite posterior.DMF / DMSOA solubilidade é extremamente baixa no solvente misturado para garantir que os passos seguintes não danifiquem oMeOBTBT-POETA camada. Em seguida, seráMeOBTBT-POETRotação da soluçãoO SnO₂ superfície da camada de transmissão eletrônica. O estudo descobriu que essa molécula passa pela interface.Auto-montagemDe forma e atravésFirmware-Processo de mudança de fase sólidaFormar umModelos supermoleculares altamente ordenadosMesmo a temperatura ambiente, sua interação molecular fraca favorece a formação de estruturas ordenadas. aquecimento (como60 °Cpode acelerar esse processo de mudança.

4.Deposição de perovskita e cristalização induzida por modelosPreparar uma solução de precursor de perovskite com composição específica, contendoFAIeMABreMACledo PbBr2ePbI2eCsIdissolvido emDMF / DMSOem solventes misturados. Rotar a solução de precursor de perovskite para o modificadoMeOBTBT-POETdoO SnO₂Sobre o substrato. Após a rotação, em um ambiente de umidade controlada(20%-30% RH)abaixo do tratamento de cozimento(100 °C)Neste processo, o que se formouMeOBTBT-POETO modelo supermolecular servirá como um"Modelo de condução de cristal de perovskita"induzir os cristais de perovskite ao longo de uma direção específica(altamente preferido em direção ao plano externo)(100)direção cristalina)Crescimento e cristalização. A pesquisa também observou,MeOBTBT-POETMoléculas eO SnO₂A superfície existeInterações químicascom os não colocadosSn2+Realizar a colocação.

5.Deposição da camada funcional posteriorDepois da formação da camada de perovskite, a amostra é transferida de volta para a caixa de luvas. Rotação sequencial da camada de transporte do buraco(BABr)espiro-OMeTAD)e fazer fogo.

6.Preparação de eletrodos metálicosFinalmente, uma camada é depositada por evaporação térmica.80 nmElétrodo de ouro espesso para completar a preparação do dispositivo de bateria.

Figura 1b

Caracterização dos resultados da pesquisa

Eficiência quântica extraluminosa eletrônica(EQEEL)Quebra com a Escala Quasi Fermi(QFLS)Análise

Equipe de Pesquisa UsaEnlitech LQ-100Sistema de medição de produtividade quântica fotoluminescenteGravar a eficiência quântica externa da emissão eletrônica(EL EQE)Espectro. Baseado em igual aJSCsob a densidade da corrente de injeçãoEQEELValores calculados por compostos não radiológicosCOVPerdas. De acordo com a produtividade quântica fotogênica(PLQY)Tensão de circuito aberto e limite de radiação(COV, rad)Análise de amostras semiestruturais de perovskiteQFLS- É.COV, raddo dispositivo.EQEO espectro é calculado por meio de um modelo de equilíbrio detalhado.

GráficoS27：EQEELCurvas.

Gráfico4D：O PLQYValores

Gráfico4e：QFLSValores e ΔCOV, rad- QFLS)Valor.

Após a otimizaçãoBIMDispositivosMostrarEQEELMelhoria significativa(10.29%)Muito acima do dispositivo de controle.(2.73%)Isso indica perdas compostas não radiológicas(ΔCOV, número = 58,8 mV)diminuição significativa, eJ-VMedidoCOVDiferenças coerentes. Semiestrutura perovskita modificada mostra maiorPLQY(27,06% vs 9,09%)Isso é essencial para alcançar a alta tensão.QFLSAnalisar a exibiçãoBIMPerda de energia do dispositivo Δ(COV, rad-QFLS)Redução significativa(de62mVPara34 mV) para- É.Em conjunto, esses resultados mostram que o ultra-baixoCOVAs perdas são atribuídas principalmenteO SnO₂Eliminação eficaz de compostos não radiológicos nas interfaces enterradas com perovskite- É.

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Densidade de corrente-Tensão(J-V)Curvas de características e eficiência quântica externa(EQE)Espectro

Equipe de Pesquisa UsaEnlitechdoSS-X AM1.5GSimulador solar padrãoRealizarJ-Vmedição de curvas, eQE-RSistema de medição de eficiência quânticaMedir a eficiência quântica externa(EQE)Espectro. Usando um dispositivo de medição de fonteJ-VCurvas. Realize varreduras positivas e inversas para avaliar o efeito de atraso. UtilizaçãoEQEO dispositivo de medição do sistema300-850 nmResposta espectral dentro da faixa de comprimentos de onda.

Gráfico4a：J-VCurvas(Densidade de correnteversusTensão)- É.

Gráfico4b：EQEEspectroEQEPorcentagemversuscomprimento de onda)- É.

Tabela 1：Tabela resumindo os parâmetros fotovoltaicos.

EscrituraMeOBTBT-POETModificadoBIMO dispositivo mostra desempenho fotovoltaico significativamente superior ao dispositivo de controle, refletido emPCE (25,34% vs 22,81%)eCOV (1.23V vs 1.197V)eFF(82,28% vs 75,99%)- É.JSCcomEQEOs resultados de pontos são consistentes.EQEO espectro reflete a eficiência de resposta do dispositivo em diferentes comprimentos de onda. Após a otimizaçãoBIMO dispositivo mostra o menorJ-Vefeito atrasado. Estes gráficos e dados são demonstrados para melhorar significativamente a eficiência de conversão de dispositivos e reduzir através de modificações de interfaces enterradasCOVevidências diretas das perdas.

XEspectrómetro de desvio de raios(XRD)/Largo ângulo de tiroXDispersião de raios(GIWAXS)

MonitoramentoMeOBTBT-POETEvolução da estrutura cristalina durante o processo de cozimento térmico, análiseMeOBTBT-POETemO SnO₂Sobre as propriedades do cristal e orientação, bem como analisar a orientação do cristal da película de perovskite.Através de várias técnicas de caracterização estrutural,Equipe de PesquisaConfirmado.MeOBTBT-POETemO SnO₂/A interface de enterro de perovskita pode formar uma estrutura cristalina específica e induzir eficazmente o crescimento orientado prioritário do perovskita. (Figura)1bFigura2aFiguraS17）

XEspectroscopia fotoeletrônica de raios(XPS)

研究MeOBTBT-POETcomO SnO₂entre eMeOBTBT-POETAmbiente químico e interação com perovskite para verificar o efeito de passivação da interface.XPSOs resultados confirmaramMeOBTBT-POETNão só comO SnO₂ reação química, também fortemente posicionado com a camada de perovskita, eEfetivamente passivado.O SnO₂ Locais vazios de oxigênio em perovskita e locais não alocados em perovskitaPb2+Defeitos.(Gráfico3a, b, c)

Espectro de energia fotoeletrônica ultravioleta(UPS)

Avaliação de interfaces eletrônicas seletivas(SnO)₂/Perovskita)Estrutura do cinturão energético, mediçãoO SnO₂Após a modificaçãoO SnO₂Função da película de perovskite(Função de trabalho)E posição de nível energético(Como preço acimaEVBM,Fundo do guiaBCM)- É.MeOBTBT-POETModificação através de seu momento polar negativo para dentro,O SnO₂ função deslocada para cima,Facilita significativamente a extração e transmissão de eletrônicos na interface.(Gráfico3d, e)

Distinção do tempo da luminosidade(TRPL)

Estude a dinâmica da transferência de carga na interface para avaliar a eficiência da extração de carga medindo a vida do fluxo de carga. Crescer emMeOBTBT-POETModificadoO SnO₂ Películas de perovskite mostram vida média de portador mais curta(183,9 ns versus 381,7 ns)Isso mostraElétronos da camada de perovskiteO SnO₂ETLA extração e a transmissão são mais eficientes.(Gráfico3f)

Espectro de condução térmica(TAS)E espaço de tensão de pulso limitar a corrente(PV-SCLC)

Estima quantitativa da densidade do estado de armadilha(Ntrap)E sua distribuição no nível de energia, avaliar o efeito de inibição da modificação da interface para o estado de defeito. Resultados de múltiplas caracterizações, consistentemente confirmados MeOBTBT-POETModificações reduzem eficazmente a densidade de armadilha na interface(Especialmente falhas de energia profunda.)Isso inibe fortemente a composição não radiológica.(Gráfico4f )

Teste de estabilidade operacional a longo prazo

Verifique diretamente a estabilidade a longo prazo das células solares de perovskite modificadas pela interface em ambientes analógicos exigentes.Sob condições de testeT92Vida mais do que 1200 Horas.(Gráfico4g)

conclusão

A equipe de pesquisa desenvolveu e aplicou com sucesso uma estratégia de regulação de interface enterrada baseada em modelos de montagem supermolecularO SnO₂ Camada de transmissão eletrônica(ETL)Introdução de derivados de fosfato biparental entre a camada de perovskitaMeOBTBT-POETMelhorou significativamente o desempenho e a estabilidade a longo prazo das células solares de perovskite.

1.MeOBTBT-POETEvolução da estrutura e papel do modelo: Descoberta pela pesquisaMeOBTBT-POETAs moléculas podem estarO SnO₂Superfície através da solidez-Transformação de fase sólida para a montagem supermolecular, a formaçãoUma estrutura quase monocristalina ordenada e densaeste processo de auto-montagem como modelo de cristalização,Induzir com sucesso os cristais de perovskite ao longo da direção externa com alta prioridade(100)Orientação CrescimentoIsso facilita a transmissão vertical do transportador no dispositivo.DFTConfirmação do cálculoMeOBTBT-POETcom perovskita(100)A interação do cristal, para(100)O crescimento orientado prioritário fornece um impulso termodinâmico adicional.

2.Passivação eficaz de defeitos da interface:XPSResultados fortemente comprovadosMeOBTBT-POETO sucesso não existe apenasO SnO₂A superfície, tambémcomO SnO₂E a camada de perovskita tem um forte efeito de localização.Esta interação é eficazmente passivadaO SnO₂O espaço vazio de oxigênio(Aparece como supressãoSn-OHo pico)e não localizados em perovskitaPb2+defeitos inerentes, reduzindo significativamente a densidade de defeitos da interface.

3.Otimização do arranjo e extração do transportador:MeOBTBT-POETMoléculas com um momento dipolar evidente(1,89 D)Seu momento polar negativo para dentro resultaO SnO₂Deslocamento da função para cima(de4,16 eVMover para3,82 eV)este desvio da faixa reduziu significativamente o perovskite eO SnO₂ETLextração eletrônica entre/Barreiras de transmissão(de0,24 eVBaixar para-0,03 eV)，Facilita significativamente a transferência e extração de eletrônicos na interface- É.

4.Inhibição composta não-radiacional e melhorias na dinâmica do veículo:AtravésTRPLVida curta dos veículos de perovskite modificados observada(183,9 ns versus 381,7 ns)demonstra a melhoria da eficiência da extração eletrônica.TPVMostrar mais tempo de decadência de tensão,TPCMostra maior coleta de portadores desequilibrados e menor tempo de decadência de corrente, todos apontando para uma transferência eficaz de portadores na interface e menos compostos auxiliares de armadilha.EQEELsignificativamente melhorado,O PLQYelevação significativa,QFLSAnálise mostra redução significativa na perda de energia. Caracterização de defeitos integrados(SCLC)eTASede Mott-Schottky)A densidade do estado de armadilha foi confirmada, especialmente os defeitos do nível de energia profunda diminuíram significativamente e o potencial incorporado aumentou. Estes.Resultados consistentesMeOBTBT-POETA modificação inibe fortemente a composição não radiante na interface- É.

5.Melhorias significativas no desempenho e estabilidade do dispositivo:Graças ao efeito de regulação da interface acima, o usoMeOBTBT-POETModificar a interface enterradaPSCsalcançado até25.34%Eficiência de conversão óptica(PCE)Tensão aberta máxima(COV)Atingido1,23 V，COVPerdas são apenas0,306 VPerto dos limites teóricos.97.2%Além disso, a estratégia melhora significativamente a estabilidade a longo prazo do dispositivo sob tensões conjuntas quentes e úmidas severas(ISOS-L-3: MPP, 65)°C, 50% RH)，T92Vida mais do que1200 Horas.

Referência de Advanced Materials_DOI: 10.1002/adma.202418011

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