Antecedentes e dificuldades da pesquisa

Células solares de perovskite, embora se desenvolvam rapidamente,A tensão de circuito aberto ainda está significativamente atrás da teoriade Shockley-QueisserlimiteTornar-se um gargalo fundamental para limitar o aumento da eficiência. As principais causas da perda de tensão incluem:Incompatibilidade das camadas de energia e excesso de compostos não radioativos na interface críticaEspecialmente nas estruturas tradicionais,do SnO2Superfície não posicionada da camada de transmissão eletrônicaSn2+ (Sn-OH)Formar um ponto de armadilha rasoprejudicar a eficiência da transmissão eletrônica. Estes defeitos de interface não só reduzem o desempenho do dispositivo, mas também aceleram a degradação do perovskite em ambientes quentes e úmidos, resultando em estabilidade operacional insuficiente a longo prazo.

Equipe de pesquisa e resultados importantes

Este estudo inovador foiProfessor Li Gang, Universidade Politécnica de Hong Kong(Gang Li) eKuan Liuprofessores eJinyao Tang教授Co-liderado com a Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong em Guangzhou eMilhas HKU-SIRIColaboração de acadêmicos, publicados em periódicos“Materiais Avançados"，emSnO2 ouA interface de enterro de perovskita construiu com sucesso um derivado de fosfato biparental auto-montado (MeOBTBT-POET) como modelo movido por cristal de perovskiteAs suas abordagens inovadoras não sóRegula com precisão o crescimento dos cristais de perovskiteao mesmo tempo eficaz.Passivação de defeitos de interface e alinhamento otimizado de nível de energiaFundamentalmente resolvido.COVquestão de perdas.

Resumo dos principais resultados da pesquisa

Perdas de desempenho do dispositivo e ultrabaixa tensão:Equipe de Pesquisa Usa Células Solares de Perovskite com Sucesso(PSC)doA tensão de circuito aberto aumentou para1,23 VPerda de tensão apenas0,306 V，Chegando ao limite teórico97.2%—Este é um valor de perda extremamente baixo em todos os sistemas de perovskite. O dispositivo foi implementado.25.34%Eficiência de conversão de potênciaTestado por um simulador solar padrão,J-VA curva não tem efeito de atraso evidente.

Estabilidade a longo prazo:em condições de teste (65°C、50%umidade relativa).PSCdoT92Vida mais do que1200HorasMelhorou significativamente a estabilidade operacional a longo prazo em ambientes quentes e úmidos.

Controle preciso da orientação do cristal:MeOBTBT-POETOs modelos formam estruturas supermoleculares altamente direcionais através da auto-montagem,Induzir a formação de perovskite altamente preferido(100)Direção Cristal- É.GIWAXSOs testes confirmaram essa orientação de otimização.DFTCalcular modelos de exibição e(100)Capacidade de combinação de cristal de até-0,94 eV- É.

Passivação de defeitos de interface eficiente e alinhamento de nível de energia:MeOBTBT-POETMoléculasPassivação ativado SnO2Locais vazios de oxigênio e perovskitePb2+DefeitosSua alta duplicidade(1,89 D)Alinhamento de nível de energia da interface para extrair eletrônicos da barreira de energia0,24 eVBaixar para-0,03 eV- É.XPSOs resultados confirmaram fortes interações de posicionamento,PV-SCLCMedição mostra a densidade do estado de armadilha de1.02×10^16Baixar para0,66 × 10 ^ 16 cm ^ -3- É.

Otimização da dinâmica do transportador:Esta estratégia inibe significativamente os compostos não-radiantes, permitindo perdas de tensão ultra-baixas. Os principais resultados incluem:

• Eficiência quântica extraluminosa eletrônica(ELEÇÃO)de2.73%Elevar para10.29%a perda de tensão não radiológica de93,1 mVBaixar para58,8 mV

• Produtividade quântica fotoluminescente(PLQY)de9.09%Elevar para27.06%

• Divisão de energia quasi-fermiana(QFLS)Análise mostra perda de energia de62 megavoltsBaixar para34 megavolts

• TRPLAs medições confirmam a melhoria da eficiência da extração de eletrônicos,TPV / TPCA medição confirma a redução do composto do transportador e o aumento da eficiência da transmissão

Passos e processos experimentais

Figura S1

1.Síntese bem sucedida de moléculas reguladoras de interface críticasMeOBTBT-POET

Equipe de pesquisa sintetiza com sucesso derivados de fosfato biparentalMeOBTBT-POETA molécula é composta por benzotiofênio rígido e[3,2-b]Benzotiafeno(BTBT)Composição de esqueleto e cauda alquila de fosfato flexível com excelentes propriedades de auto-montagem.

2.verificaçãoMeOBTBT-POETCaracterísticas de auto-montagem e estabilidade

Obtenção por evaporação de solventeMeOBTBT-POETMonocristal e análise de dados cristalísticos.Análise térmica(TGA)Avaliação da estabilidade térmica，Método térmico diferencial de varredura(DSC)Verificação de propriedades de montagem de supermoléculas a temperatura ambiente- É.LocalizaçãoXDifração de raios(XRD)EspectroO monitoramento da evolução da estrutura cristalina da película durante a fusão térmica confirmou que a molécula poderia ser montada espontaneamente a temperatura ambiente para formar modelos monocristalinos bidimensionais altamente ordenados.

3.Estabelecer a base teórica da interação molecular com o perovskite

AplicaçãoTeoria da função de densidade(DFT)CalculaçãoAvaliaçãoMeOBTBT-POETcomFAPbI3Perovskita em diferentes cristales((100)、(110)、(111))interação, encontrá-lo com(100)O cristal tem interação. AprovaçãoDFTCalcular a potência estática(ESP)Avaliar o momento dipolar da molécula para demonstrar seu potencial de modificação da interface.

4.Preparação de células solares de perovskite de alto desempenho

Por padrãon-i-pEstrutura(FTO/SnO2/MeOBTBT-POEt/Perovskita/ spiro-OMeTAD / Au)Equipamento de preparação:

1. Substratos eSnO2 ETLPreparação：FTOLimpeza de vidro e UV-Rotação após o tratamento de ozôniodo SnO2solução,200°CIncendio60minutos

2. MeOBTBT-POETModificação da interfaceEm diferentes concentrações na caixa de luvasMeOBTBT-POETA solução de cloro-benzeno éSnO2 ETLSobre

3. Deposição de perovskita: PreparaçãoCs0.03 (FA0.97MA0.03) 0.97Pb (I0.97Br0.03) 3Solução de precursor(Falha de banda~ 1,53 eV)Após a rotação,Umidade controlada(20-30% RH)Ambiente100°CIncendio60minutos

4. HTLPreparação com eletrodos: Rotação consecutivado BABrespiro-OMeTADsolução,100°CIncendio10minutosFinalmente, evaporação térmica80 nmEspessuraAueletrodos

Figura 1a

Caracterização e resultados

Divisão de energia quasi-fermiana(QFLS)Eficiência quântica fotogênica(PLQY)Características e resultados

O PLQYé um indicador do comportamento das células solares em condições de circuito aberto,PLÉ essencial para alcançar uma maior tensão fotográfica.QFLSAnálise para explorar em profundidade a composição de cargas eV_OCmecanismo de perdas. mediçãoSnO2 ouintensidade fotogênica das amostras de perovskite semicamada e de acordo com a fórmulaQFLS = qV_OC, rad + k_BO Tln(PLQY)Calcular a divisão de energia quasi-fermiana. EscrituraMeOBTBT-POETModificadoSnO2 ouAmostras de semicamada de perovskitaO PLQYaumento significativo, a partir de9.09%Aumentar para27.06%Perda de energia correspondenteΔ(V_OC,rad - QFLS)de62 megavoltsSignificativamente reduzido para34 megavolts- É.QFLSA análise confirmou,Ultra baixoV_OCAs perdas são atribuídas principalmenteSnO2 ouEliminação eficaz de compostos não radiantes na interface de perovskite enterrado- É.

Gráfico4DMostra se existeMeOBTBT-POETModificadoSnO2 ouEficiência quântica fotoluminescente de amostras de perovskite (O PLQY).

Gráfico4eO grupo de controle eBIMDivisão de energia quasi-fermiana dos componentes do grupo (QFLS(Análise dos resultados.

TabelaO S5Resumindo.V_OCAnálise de perdas.

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Corrente-Tensão (J-V(Curvas)

Em padrãoAM 1,5 GSob iluminação, usoEnliTechdoSS-XSimulador de luz solarRealizar medições, digitalização positiva e inversa(1.25para- 0,2 V)Avaliação do efeito de atraso, tempo de atraso100 msárea de teste.0,04 cm²- É.

Modificação da interface enterrada(BIM)Perovskite melhorou significativamente o desempenho das células solares,Eficiência máxima de conversão de potência25.34%Tensão aberta.1,23 VDensidade de corrente de curto circuito25,10 mA cm^-2O fator de preenchimento82.28%. Dispositivos de grupo de controlePCEpara22.81%Tensão aberta.1,197 VDensidade de corrente de curto circuito25,08 mA cm^-2O fator de preenchimento75.99%- É.

Para a lacuna de banda1.536 eVo perovskite,Perda de tensão apenas0,306 Vchegar à teoriade Shockley-QueisserO limite.97.2%- É.J-VDisplay de mediçãoSem efeito de atraso evidente- É.

Gráfico4a：O grupo de controle que mostrou o melhor desempenho (Controle(e modificação da interface incorporada)BIM(Os componentesJ-VCurvas.

Tabela1 Resumindo suas propriedades fotovoltaicas.

Eficiência quântica externa (EQE(Espectro)

UtilizaçãoEnlitech QE-RSistemaMedição de fótons em diferentes comprimentos de onda-Eficiência de conversão eletrônica210 HzDecopamento de luz monocromática, faixa de comprimentos de onda300-850 nma densidade de corrente de curto-circuito permanece constante em diferentes concentrações25,1 mA cm^-2eEQEAlta coincidência de valores de integrais espectrais(Erro<1%). AprovaçãoEQEO primeiro cálculo diferencial do espectroFAEspaço de banda fotovoltaica de perovskite(E_gPV)Aproximadamente1.536 eV- É.

Gráfico4bO grupo de controle eBIMComponentes do GrupoEQEEspectro.

GráficoS26Mostra maisEQEA primeira diferenciação do espectro é usada para determinar a lacuna de banda fotovoltaica.

Eficiência quântica externa da luminosidade elétricaEQEEL

Quantificar as células solares de perovskite sob um viés positivo comoLEDPerdas compostas não radiológicas durante a operação para análiseV_OCmecanismo de perdas. UtilizaçãoEnliTech LQ-100Sistema de medição de eficiência quântica fotoluminescenteRealizar medições.BIMComponentes em25,1 mA cm^-2sob a injeção de corrente.EQE_ELelevação significativa para10.29%Muito mais alto do quedo grupo de controle.2.73%Correspondente.Perdas compostas não radiológicas de93,1 mVSignificativamente reduzido para58,8 mVeJ-VEm testeV_OCAumentar a consistência dos resultados e provar a estratégiaefetivamente suprimida.SnO2 ouCompostos não radiantes para interfaces enterradas de perovskitaIsso é ultra-baixo.V_OCMecanismo essencial da perda.

GráficoS27Mostrou.EQE_ELComo função da densidade da corrente injetada, para o grupo de controle eBIMComponentes de grupo- É.

Teste de estabilidade operacional a longo prazo (ISOS-L-3）

Avaliar a estabilidade operacional a longo prazo das células solares de perovskite sob tensões térmicas e de umidade para medir a viabilidade comercial do dispositivo. EscrituraBIMO dispositivo processado é65°Coperação1228Depois de uma hora, mantenha o início.PCEdo92%acimasignificativamente melhor do que o grupo de controle. Esta estabilidade melhorada é atribuída à eliminação eficaz de defeitos superficiais e à resistência à umidade.

Gráfico4gMostrado emISOS-L-3grupo de controle sob as condições eBIMResultados dos testes de estabilidade operacional a longo prazo dos componentes do grupo.

Outras características

• XEspectroscopia fotoeletrônica de raios (XPS）：研究O SnO₂camada de transmissão eletrônica (ETLambiente químico e interações entre perovskite e a interface enterrada.Confirmação.O SnO₂Locais vazios de oxigênio e não localizados no perovskitePb²⁺Efeito de passivação espontânea dos defeitos. (Figura)3aeb) Oe(c)）

•Espectroscopia fotoeletrônica ultravioleta (UPS）：Avaliar a estrutura da banda de energia na interface eletrônica seletiva. EscrituraMeOBTBT-POETApós a modificação,O SnO₂função a partir de4,16 eVMover para cima3,82 eVextração eletrônica de0,24 eVBaixar para-0,03 eV- É.(Figura)3Dee）

•Distinção temporal da luminosidade (TRPL）：Estude a dinâmica de transferência de carga de interface e a eficiência de extração de separação de carga. Vida do veículo do perovskita após a modificação de381,7 nsEncurtar para183,9 nsMelhoria da eficiência da extração eletrônica.(Figura)3f）

•Largo ângulo de tiroXDispersão de raios (GIWAXS）：Análise da orientação cristalina do perovskite. Perovskite pós-modificado(100)Alta concentração do cristal ao longo da direção externa para alcançar o crescimento orientado preferido(Figura)2be(c)）

•Teoria da Densidade (DFT(Calculação:Estima a intensidade da interação das moléculas com diferentes cristales do perovskite.MeOBTBT-POETcom(100)Combinação de cristal(-0,94 eV)O momento dipolar molecular é1,89 D- É.(Figura)2Dee）

• XDifração de raios (XRD(Espectro):Monitorar a evolução da estrutura cristalina de película fina molecular e orientação do perovskite. LocalizaçãoXRDConfirmação do firmware-Processo de mudança de fase sólida, após a modificação(100)/(111)intensidade pico de5.87Adicionar para8.65- É.(Figura)1b）

•Microscópio eletrônico de varredura (SEM）：Observar as características morfológicas do perovskite. O tamanho do domínio de cristal perovskita após a modificação é maior, atribuído ao atraso do processo de cristalização da superfície hidrofóbica.(Figura)S18）

•Intensidade da luz-Relação de tensão de circuito aberto:Determine o fator ideal do dispositivo e o mecanismo composto.BIMO fator ideal do dispositivo diminui para1.12(Grupo de controle1.38Composição de carga elétrica é mais próxima do estado ideal.(Figura)S29）

•Tensão óptica transitória/Corrente óptica (TPV / TPC）：Descubra a dinâmica da composição e transferência de veículos.TPVTempo de decadência de61,87 μsExtendir para133,34 μs，TPCTempo de decadência de0,86 μsEncurtar para0,73 μs- É.(Figura)S30）

•Tensão de pulso-Limitação de corrente de carga espacial (PV-SCLC）：Estima a densidade de armadilha eletrônica no perovskite. A densidade da armadilha1.02×10¹⁶ centímetros^-3Baixar para0.66×10¹⁶centímetros^-3Redução significativa das armadilhas.(Figura)S31）

•Mort-Análise de Schottky e Nanoscopia Termocondutora (TAS）：Estima quantitativamente a distribuição do nível de energia e a tensão incorporada. Tensão integrada de1,06 VElevar para1,10 VA densidade da armadilha do nível de energia profunda diminui um nível de quantidade.(Figura)4feS32）

conclusão

O estudo foi desenvolvido com sucessoEnterrar a estratégia de controle da interfaceUsando auto-montagemDerivados de fosfato bisexualMeOBTBT-POETemO SnO₂/A interface do perovskite constrói um modelo de acionamento de cristal que melhora significativamente o desempenho das células solares do perovskite.

•Desempenho do dispositivo:Realização da equipa de pesquisa25.34%Eficiência de conversão de energia e1,23 VTensão de circuito abertoPara1.536 eVPerovskite com intervalo de banda, perda de tensão somente0,306 V，Atingindo os limites teóricos97.2%- É.

•Regulação de cristalização precisa e otimização do transportador:Modelo Supermolecular de Alta DireçãoPrioridade à formação de perovskite(100)Orientação externaPromover a transferência de carga vertical.MeOBTBT-POETdo1,89 DAlinhamento de nível de energia da interface de coordenação de torque dipolar,Barreira de extração eletrônica de0,24 eVBaixar para-0,03 eVVida do transportador de381,7 nsEncurtar para183,9 ns- É.

•Passivação de defeitos de interface eficiente: Esta estratégiaPassivação ativaO SnO₂Locais vazios de oxigênio e perovskitoPb²⁺DefeitosSuprime significativamente os compostos não radiológicos. Eficiência quântica extraluminosa de2.73%Elevar para10.29%Eficiência quântica da luminosidade9.09%Adicionar para27.06%A densidade da armadilha1.02×10¹⁶Baixar para0.66×10¹⁶centímetros^-3- É.

•Excelente estabilidade a longo prazo:Em pressão quente(65°C)E umidade.(50% RH)Em condições, o dispositivoO T₉₂Vida mais do que1200Horasatribuído à eliminação eficaz de defeitos e excelente resistência à umidade.

Referência de Advanced Materials_DOI: 10.1002/adma.202418011

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