Antecedentes da pesquisa

No processo de melhoria da eficiência das células solares em perovskita, a qualidade da "interface enterrada" tornou-se uma restrição técnica crítica. Este estudo explora em profundidade os gargalos tecnológicos das interfaces de enterramento de células de perovskita, com o objetivo de resolver os problemas centrais que afetam a eficiência da conversão fotoelétrica e a estabilidade a longo prazo das células de superposição.

•Defeitos estruturais e reações químicasNa interface enterrada das células de perovskita, existem defeitos estruturais e reações químicas prejudiciais que podem levar a compostos de carregadores não radioativos significativos e reações químicas prejudiciais.

• PEDOT: PSSO desafio das camadas: as camadas de transporte de buracos atualmente amplamente usadas(HTL) PEDOT: PSSSua acidez e absorção de umidade provocam reações oxidativas desfavoráveis, deteriorando gravemente a estabilidade operacional do material perovskite e seus dispositivos em altas temperaturas e luz.

•Nano vazios e defeitos de cristalização:PorquePEDOT: PSSA possível heterogeneidade espacial das camadas, juntamente com o rápido crescimento do perovskite de chumbo de estanho, resulta em nanovazios morfológicos de alta densidade, defeitos de cristalização, tensões desfavoráveis e má cristalização nas interfaces enterradas. Especialmente em substratos lisos, é fácil formar "manchas brancas" visíveis ao olho nu.

•Desafios de pesquisa das interfaces enterradas:Em comparação com a interface da camada superior, a interface enterrada da camada de perovskite é relativamente difícil de acessar e menos estudada no dispositivo.

Equipe de Pesquisa e Foco de Pesquisa

Este estudo foiChen Wei e Liu Zhonghao do Centro Nacional de Pesquisa Fotoelétrica de Wuhan, Universidade de Ciência e Tecnologia da China e Universidade de Oxford, Reino UnidoHenry J. Snaith (inglês)liderança do professor,Publicado em Top MagazineComunicações naturais“. Principalmente através do design de umFunsionalização de Dióxido de Silício Interporoso (MSN-SH）Como interface de enterro de película de perovskiteSuperestruturaPara resolver defeitos estruturais prejudiciais e problemas de reações químicas na interface de enterro de baterias de nêutrons de dispositivos fotovoltaicos em série. Este método tem como objetivo regular o perovskite.Processo de cristalização, eliminação de nanoburacos, passivação de defeitose inibir a película de perovskite de chumbo de estanho Sn(II)OxidaçãoIsso reduz significativamente a perda do transportador e melhora a estabilidade do dispositivo.

Principais resultados da pesquisa

Figura 4c

1. Avanço tecnológico de otimização de interfacesMSN-SHMelhoria da interface através de múltiplos mecanismos da camada: melhorar significativamente a umidificação do precursor do perovskite, eliminando efetivamente os nanovazios e defeitos de membrana; Liberação significativa da tensão residual da película fina (a partir de72,2 MPaBaixar para4,6 MPae melhorar a cristalização; Utilização de grupos thianol para passivar defeitos, inibiçãoSn(II)oxidação e impedir a migração de íons0,29 eVElevar para0,58 eVao mesmo tempo, a força de adesão da interface0,26 MPaAumentar para0,67 MPa- É.

2. Eficiência Performance Breakthrough Bateria de perovskite de chumbo de estanho de banda estreita alcançada23.7%Eficiência (média)23.1%(Tensão aberta)0,89 VRealização de bateria de perovskita completa29.6%A melhor eficiência,Eficiência de certificação29.5%Eficiência estável28.7%，Desempenho de bateria de dupla ponta；11,3 cm²Eficiência de superposição de mini módulos24.7%demonstrar um excelente potencial de ampliação.

3. Stabilidade significativamente melhoradaNBGBateria única em85°CEnvelhecimento ambiental do nitrogênio escuro164Mantenha depois de uma hora.85%eficiência inicial; Bateria encapsulada em1A luz do sol.MPPTTeste445Manutenção após horas90%eficiência; Dispositivos de superposição em85°CEnvelhecimento150Manter depois de uma hora.82%初始性能。

4. Verificação de universalidade técnicaMSN-SHA estratégia de tratamento também se aplica ao perovskite de banda larga à base de chumbo, de modo que1,77 eVEficiência da bateria20.6%e efetivamente inibir a polarização halogenada fotoinduzida de perovskite halogenado misturado.

Passos e processos experimentais

Figura 1a

A estratégia principal deste estudo é a introdução de uma camada de dióxido de silício interporoso funcionalizado com tribase na interface de enterro de perovskita (MSN-SHComo uma camada de modificação da interface, seu efeito é verificado através da preparação sistemática dos componentes e da comparação do desempenho.

Processo de preparação da bateria: O processo padrão incluiOIT/Limpeza do substrato de vidro, camada de transferência de buracos vazios (PEDOT: PSSouO Me-4PACz(Rotação,Critical.MSN-SHRotação de dispersão e recolhaDeposição contínua de solução de precursor de perovskite e cozimento térmico, camada de passivação superficial (EDAI2ouPDAI2(Tratamento, final vaporização a quente camada de transmissão eletrônica)C60eBCPcom eletrodos de prata.

Preparação da bateria: Adote uma estratégia de construção em camadas, primeiro conclua a preparação da bateria de intervalo de banda larga e depois construa através da tecnologia de deposição de camadas atômicasSnOx / AuReconstruir a interface e, finalmente, depositar em sequência as camadas funcionais da bateria de intervalo estreito, formando uma estrutura de superposição completa de duas extremidades.

Verificação modular: O processo de gravação a laser é realizado em um substrato de grande área, formando várias unidades de sub-bateria em série e completando a interconexão e a embalagem para validar o potencial de industrialização da tecnologia.

Método de verificação comparativa: Comparação sistemática introduzida e não introduzidaMSN-SHAs diferenças entre os componentes da camada em termos de eficiência de conversão fotoelétrica, estabilidade e propriedades da interface avaliam quantitativamente o efeito da modificação.

Métodos de caracterização e resultados

Divisão de energia quasi-fermiana(QFLS)Eficiência quântica com luminosidade fotogênica(PLQY)

Avaliar o potencial de tensão de circuito aberto de perovskite e o grau de perda composta não-radiante com base emO PLQYResultado do cálculoQFLSValor.

MSN-SHRedução eficaz do tratamentoPEDOT: PSSPerda de interface de camada e melhoria significativa das propriedades fotoelétricas da película fina.PEDOT: PSS/MSN-SH/pilha de perovskitaO PLQYdo grupo de controle.0.885%elevação significativa para5.586%CorrespondemQFLSValor de0,856 eVAumentar para0,903 eVMostra um excelente efeito de aumento do potencial de tensão.

Figura 3fComparando a tensão real com o potencial teórico, a quantificaçãoMSN-SHEfeito da melhoria da interface no aumento da tensão de circuito aberto das células solares de perovskite

Figs. 30a, 30bMostrar diferentes estruturas de pilhaO PLQYcomQFLSComparação de dados.MSN-SHAs amostras foram significativamente melhores em ambos os indicadores do que o grupo controle eMSNAs amostras confirmaram seus efeitos significativos na inibição de compostos não radiantes e na elevação do potencial de tensão de circuito aberto.

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Corrente-Tensão(J-V)Características e teste de eficiência de conversão fotoelétrica

Avaliar as propriedades elétricas básicas do dispositivo, eficiência de conversão fotoelétrica e atraso.

MSN-SHO processamento proporciona melhorias significativas de desempenho em todos os tipos de baterias:

Brechas estreitas(NBG)Bateria de perovskite de chumbo de estanho:，MSN-SHModificação média do dispositivoPCEDa23.10%Mais do que o grupo de controle19.64%Substantemente melhorado. Melhor Implementação de Dispositivos23.74%PCE (COV 0,887 V, JSC 32,77 mA cm)^-2,FF 81,67%)O atraso é quase ignorável.

Brechas de banda larga(Grupo de Trabalho)Bateria de perovskita:demonstrar boa universalidade,1,77 eVDispositivosPCEAté20.60%(COV 1,330 V, JSC 18,29 mA cm)^-2,FF 84,69%)Eficiência da certificação de terceiros20.27%- É.

Dispositivos de superposição de perovskite completo:Beneficie-se da otimização da sincronização da bateria gêmea, médiaPCEDa29.16%Melhor implementação de dispositivos29.63%PCE (COV 2,176 V, JSC 16,33 mA cm)^-2, FF 83,38%)经.SIMITCertificação de terceirosPCEpara29.50%Eficiência estável28.7%- É.

Figura 3c, Figura 4ceFigs. 37Mostrar dispositivos de união e superposição separadamenteJ-VAs características mostram um retardo extremamente baixo e excelente desempenho fotoelétrico.

Eficiência quântica externa(EQE)Teste

Avalie a eficiência da conversão fotoelétrica do dispositivo em diferentes comprimentos de onda e calcule a densidade de corrente de curto-circuito integrado. UtilizaçãoEnlitech QE-RSistema de medição de eficiência quânticaTeste no ar ambiente, medição do dispositivo de superposiçãode 850 nmcomde 460 nmBrilho altoLEDparado WBGcomNBGA sub-bateria é sobrepressionada.

MSN-SHO processamento melhora eficazmente o desempenho da eficiência quântica do dispositivo.NBGBateria de perovskite de chumbo de estanhoEQEMelhorias no espectro em toda a faixa de comprimentos de onda, especialmente respostas regionais de comprimentos de onda longos, integraçãoJSCdo grupo de controle.31,42 mA cm^-2Elevar para32,35 mA cm^-2- É.

Dispositivos de superstratificação de perovskite completo apresentam boas propriedades de correspondência espectral,do WBGIntegração de sub-bateriaJSCpara16,26 mA cm^-2，NBGBateria para16,02 mA cm^-2Ambas as densidades de corrente são altamente compatíveis e os intervalos de resposta espectral são complementares, estabelecendo a base para a realização de estruturas de superposição de alta eficiência.

Figura 3dcomFigura 4dMostrar dispositivos de união e superposição separadamenteEQEComparação espectral, apresentação claraMSN-SHTratamento com efeitos significativos na melhoria da eficiência de coleta de luz e extração de carga.

Eficiência quântica externa da luminosidade elétrica(EQEEL)

quantificar o grau de perda composta não radiológica do dispositivo, eCOVdesempenho estão intimamente relacionados. UtilizaçãoEnlitech ELCT-3010 (REPS)SistemaPara medição, a densidade de corrente de injeção é definida para a densidade de corrente de curto-circuito perto da luz solar.

MSN-SHTratamento do dispositivoEQEELproduzir um efeito de melhoria significativa. A aproximar-se.JSCsob as condições de injeção de corrente, o dispositivoEQEELValores do grupo de controle0.20%elevação significativa para2.61%Aumento até13vezesEste aumento significativo é confirmado diretamenteMSN-SHSuprime eficazmente os processos de composição não radiológica dentro do dispositivo.

Correspondente não-radiação perda composta diminui cerca de70 mVcom o dispositivoCOVA amplitude de melhoria real está altamente alinhada, verificadaEQEELConfiabilidade dos resultados dos testes eMSN-SHEficacia da estratégia de melhoria da interface.

Figura 3eMostrar o grupo de controle eMSN-SHdo dispositivoEQEEL-comparação de densidade de corrente,MSN-SHOs dispositivos apresentam vantagens significativas em toda a faixa de corrente, especialmente nas áreas de baixa densidade de corrente.

Tensão de circuito aberto(COV)Análise de perdas

Quantificação com base na teoria do equilíbrio detalhadaCOVComponentes perdidos, incluindo não ideaisEQEPerda, perda composta de radiação de sub-intervalo de banda e perda composta de não-radiação, localizar com precisão as razões para desviar a tensão do dispositivo do limite teórico. Análise usando testesCOVeEQEELUse os parâmetros-chave como entrada de cálculo.

MSN-SHTratamento reduz significativamente o dispositivo totalCOVPerdas. Uma das melhorias mais críticas vem de uma redução significativa das perdas compostas não radiológicas do grupo de controle.160 mVBaixar paraMSN-SHamostras94 mVredução até41%. Este resultado é real com o dispositivoCOVAumentar a altura de coincidência, confirmarMSN-SHPapel fundamental na inibição de compostos não radiológicos.

Figs. 29aComparação detalhada entre o grupo de controle eMSN-SH NBGTodos os itens da bateriaCOVComponente de perda, claramente apresentadoMSN-SHVantagens significativas do dispositivo na redução de perdas compostas não radiológicas.

Corrente óptica transitória(TPC)Tensão óptica transitória(TPV)

Explore a extração de fluxos de carga elétrica e a dinâmica composta no dispositivo e avalie o impacto da modificação da interface no caminho de transmissão de carga elétrica.

MSN-SHSincronização de processamento melhora a extração de carga elétrica e inibe o processo composto. Vida de decadência de corrente do dispositivo do grupo de controle3,86 µsEncurtar para2,37 µspara provar que a velocidade de extração do fluxo de carga elétrica é acelerada; Vida de decadência de tensão de149 µsExtendir para626 µsO composto de carga elétrica refletida é efetivamente inibido.

Figs. 26a, 26bMostrar separadamenteTPCcomTPVcomparação da curva de decadência,MSN-SHDispositivos emTPCA decadência é mais rápida durante o teste.TPVO declínio foi mais lento nos testes, confirmando claramente o duplo efeito da modificação da interface enterrada na promoção da extração de carga e na inibição da composição da interface.

Estabilidade operacional(MPPT)Teste

Avaliar a estabilidade operacional a longo prazo do dispositivo sob o desvio do ponto de potência máximo de iluminação contínua.

MSN-SHO processamento melhora significativamente a estabilidade a longo prazo do dispositivo. Sem embalagemNBGOperação contínua com bateria única450HorasMantenha depois93%Eficiência inicial muito superior ao grupo de controle370Uma hora depois.68%. Envolte todo o dispositivo de perovskita em430HorasApós operação contínuaManter90%Eficiência acimaMuito além do grupo de controle325Uma hora depois.75%apresentação.

Fig. 3h, Fig. 4fMostrar dispositivos de união e superposição separadamenteMPPTCurva de estabilidade,MSN-SHO dispositivo demonstra estabilidade operacional a longo prazo em ambas as configurações, confirmando seu excelente potencial em aplicações práticas.

Outras características

Teste de estabilidade de armazenamento de dispersões Avaliar a estabilidade da dispersão de nanopartículas durante o armazenamento, afetando a janela de processamento da preparação do dispositivo.MSN-SHDispersão líquida em48Sem precipitação após horas, muito melhor do queAl2O3do1Horas de precipitação- É.（Figuras 8）

Caracterização das propriedades das nanopartículas Análise completaMSNcomMSN-SHtamanho físico, estrutura dos poros e sucesso funcional.MSN-SHTamanho das partículas reduzido para100 nm，FTIRcomRamanEspectro em2569com2563 centímetros^-1Confirmação da ramificação bem sucedida- É.（Figs. 10a）

Ensaios de umidificação e nucleação 研究MSN-SHEfeitos sobre o comportamento de umidificação da solução de precursor de perovskite.O ângulo de contato de22.6°Baixar para12.7°Melhora significativamente a umidificação e promove a nucleogenese heterogênea- É.（Figuras 11）

Forma do filmeSEMObserve a superfície da película de perovskite e a formação da interface enterrada para determinar a presença de nanovazios.MSN-SHA película de base apresenta uma área de cristalização densa e sem nanovazios, em contraste com o vazio cúpula do grupo de controle- É.（Figura 1c）

CristalidadeGIWAXSAnálise Avaliar a cristalização da película de perovskite perto da interface enterrada.MSN-SHA película de base mostra maior força de difração em todos os ângulos de entrada, maior cristalização e menor grau de não-cristalização- É.（Figura 1d）

Residual tensãodo GIXRDTeste Avaliar o estado de estresse residual na película de perovskite.MSN-SHEfetivamente vai esticar o estresse de72,2 MPaBaixar para4,6 MPaLibera significativamente a tensão da película- É.（Figura 1h）

Teste de resistência mecânica verificaçãoMSN-SHEfeito aprimorado na durabilidade mecânica da interface enterrada.Resistência de alongamento crítica de0,26 MPaElevar para0,67 MPado que a ruptura25Adicionar para83 kJ m^-3- É.（Figura 1g）

Análise abrangente da estabilidade da interface AtravésDFTCálculo, condutividade dependente da temperatura,UV-VisãoeXPSExplore os mecanismos de estabilidade.A ativação da migração de íons0,29 eVElevar para0,58 eV，Sn(IV)Redução significativa do conteúdo, inibindo eficazmente a degradação- É.（Figura 2b）

Dependência do tempo de polarização de halogenosPLTeste Avaliar o fenômeno de polarização de fase do perovskite halogenado misturado sob luz prolongada.MSN-SHModificação do filme durante a exposiçãoPLA forma é bem mantida e inibe eficazmente a polarização de halogenos- É.（Figs. 38c）

conclusão

O estudo foi desenvolvido com sucessoFunsionalização de Dióxido de Silício Interporoso (MSN-SH）Como uma camada de modificação superestrutural da interface de enterro de células de perovskite, a eficiência e a estabilidade da pilha de perovskite da célula solar melhoraram significativamente.

Avanços tecnológicos principais:

Otimização da qualidade da interfaceaspectos,MSN-SHRegular efetivamente o processo de cristalização do perovskita, eliminar nano-vazios e passivar defeitos, ao mesmo tempo que inibeSn(II)Oxidação, reduzindo significativamente a perda do transportador. força mecânica de0,26 MPaElevar para0,67 MPaA tensão de alongamento residual de72,2 MPaBaixar para4,6 MPaA ativação da migração de íons0,29 eVAumentar para0,58 eV- É.

Desempenho do dispositivoA eficiência da bateria de perovskite de chumbo de estanho23.7%Realização de bateria de perovskita completa29.6%Eficiência (Certificação)29.5%Estabilidade.28.7%) está na vanguarda do desempenho da bateria de superposição de duas extremidades.11,3 cm²Eficiência de superposição de mini módulos24.7%demonstrar um excelente potencial de industrialização.

Estabilidade a longo prazoA bateria encapsulada em1Luz solarMPPTTeste445HorasManutenção posterior90%eficiência inicial,85°CEnvelhecimento quente150HorasDepois mantenha82%Desempenho muito superior ao do grupo de controle.

Aplicabilidade técnicaobtenção de verificação,MSN-SHA estratégia também se aplica ao perovskite de banda larga à base de chumbo,1,77 eVEficiência da bateria20.6%e efetivamente inibir o fenômeno de polarização de halogenos misturados.

Referência de Nature Communications_DOI: 10.1038/s41467-025-59891-z

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