Dificuldades e desafios de pesquisa

Larga lacuna energética(Grupo de Trabalho)Óxido de níquel na sub-bateria como camada de transporte de buraco vazio(NiOx)Camada monomolecular com auto-montagem(SAM)Problemas de contato entre as interfaces limitam seriamente a eficiência e a estabilidade do dispositivo.

Os principais desafios da tecnologia existente são:

•O NiOxProblemas de corrosão:Tradicionalmente amplamente utilizadoSAMContém, por exemplo, ácido fosfórico.(PA)Como grupo de ancoragemSAMs (PA-SAMs)O seuÁcido mais forteFacilmente corrosivo e químicamente reativo.O NiOxcamada, pode danificarO NiOxIntegridade e função da camada, enfraquecendo a estabilidade do dispositivo.

•SAMAgregação Molecular e Problemas de Interface： TradiçãoSAMMoléculas estãoO NiOxA superfície é fácilFenômeno de agrupaçãoAs membranas desiguais podem causarPerda da interface，Eficiência de transmissão do transportadore causou notáveisTensão de circuito aberto(COV)Perdas.

Equipe de Pesquisa e Realizações

Este estudo inovador sobre as células solares de alta eficiência em perovskite inteiroInstituto de Engenharia e Tecnologia de Materiais de Ningbo da Academia Chinesa de CiênciasLiderança de equipe, publicada em revistas científicas internacionaisComunicações Natureza- É.

A equipe de pesquisa desenvolveu com sucesso um ácido mais fracoFuncionalização do ácido bóricoSAMNão só.efetivamente inibido.O NiOxCorrosãoTambém pode formar uma camada de interface mais uniforme e forte, melhorando significativamente a eficiência das células solares de perovskita inteira e melhorando significativamente a estabilidade operacional a longo prazo do dispositivo.

GráficoO S6Problema original resolvido (corrosão)

As principais realizações da pesquisa incluem:

•resolverO NiOxProblemas de corrosão:Desenvolvimento bem sucedidoCamada monomolecular de auto-montagem ácida mais fraca(SAM)Redução significativa do óxido de níquel(NiOx)Corrosão da camada de transmissão do buraco vazio para melhorar a estabilidade da interface.

•MelhoriasSAMQualidade da membrana:NovoSAMDemonstra uma força de ligação de interface mais forte e propriedades de membrana mais uniformes, superando eficazmente a tradiçãoSAMAs moléculas se agrupam facilmente, cobrindo problemas desiguais.Redução da perda de interface- É.

•Otimizar a qualidade do perovskite:A interface melhorada promove o crescimento mais uniforme dos cristais de perovskite, reduz defeitos e inibe eficazmente a separação de fase causada pela luz, melhorando a qualidade e a estabilidade da película.

•Aumentar significativamente a eficiência do dispositivo:Espaço de energia de laço único(Grupo de Trabalho)Eficiência da bateria18.9%Elevar para20.1%Células solares totalmente perovskitas(TSCs)Maior eficiência28.5%- É.

•Melhoria significativa da estabilidade operacional:Os resultados da pesquisa melhoraram significativamente a estabilidade do dispositivo, toda a pilha de perovskite em iluminação contínua 500 Mantém a eficiência inicial após uma hora.90%- É.

Passos e processos experimentais

Preparação de materiais de interface e filmesEquipe de pesquisa prepara várias camadas monomoleculares auto-montadas(SAM)materiais e emITODeposito sequencial sobre vidro condutorO NiOxcamadas eSAMformação,Este / NiOx / SamsEstrutura do filme. Preparando ao mesmo tempo a tradiçãoSAMmaterial(ComoMe-4PACz )como grupo de controle. Após a preparação de algumas amostras, a molécula residual é removida com um revestimento rotativo de etanol.

Criação de células solares de largura: para prepararITO / NiOx / SAMPelícula fina como camada de transporte de buraco vazio, revestimento giratório para depositar a película de perovskite de larga lacuna de energia e, em seguida, depositar a camada de transporte de eletrônicos(C60)eALD SnO2)E eletrodos de prata, para completar a produção de bateria de largura de um único nó.

Produção de pilhas solares totalmente perovskitas: Integrar a bateria de gap de energia larga com a bateria de mineral de perovskita de gap estreito para construir células solares de superposição de perovskita de duas extremidades. A estrutura completa é:ITO/NiOx/SAM/Perovskita de largura/ C60 / SnO2 / Au / PEDOT: PSS /Perovskite de lacuna estreita/ C60 / BCP / Ag- É.

Avaliação do desempenho da bateria: em condições de teste padrão(1 sol, 100 mW/cm2)Abaixo, medir a corrente de uma única e pilha de baterias-Características da tensão para avaliar a eficiência da conversão fotoelétrica, a tensão de circuito aberto, a densidade de corrente de curto-circuito e os parâmetros-chave como o fator de enchimento. Sincronize o rastreamento de saída de potência estável e medições de eficiência quântica externa.

Realizar testes de estabilidadeTeste contínuo de rastreamento de luz no ponto máximo de potência da bateria encapsulada500horas para avaliar a estabilidade operacional a longo prazo. Além disso85℃Teste de envelhecimento à luz de alta temperatura para verificar a estabilidade térmica da bateria.

Caracterização e resultados

Divisão quasi-fermiana(QFLS)

Medir a tensão máxima teórica de circuito aberto do material sob luz(iVOC)Os indicadores refletem diretamente o grau de perda composta não radiológica. O estudo descobriu que com a película de perovskite puroQFLSEm comparação com a tradiçãoO Me-4PACzPerovskite de interfaceQFLSSignificativamente reduzido para1,296 eVMostrarInterface complexa sériaUsar um novo modeloS-BA-SAMApós o tratamento,QFLSApenas de1,326 eVLigeiramente reduzido para1,322 eVperto do valor do filme puro, comoGráfico5fProva diretaS-BA-SAMSignificativamente reduzido.O NiOxPerda composta não radiológica de interfaces de perovskite- É.

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Corrente-Tensão(J-V)Características e saída de potência estável(SPO)Teste

Medir o desempenho de conversão fotoelétrica de células solares sob luz padrão e avaliar a estabilidade do dispositivo. Realizar padrõesJ-VO teste requer conformidadeAM1.5G (em inglês)Simulador de luz solar padrão espectral.EnlitechdoSS-XA série de simuladores de luz solar é citada em várias literaturas para fornecer iluminação altamente precisa e estável.

Gráfico6cMostra a sub-bateria e a bateria de superposição finalJ-VCurvas. Depois do novo tipoS-BA-SAMApós a otimização, largos intervalos energéticos(Grupo de Trabalho)Eficiência da sub-bateria do grupo de controle18.9%Elevar para20.1%. A bateria de perovskita completa montada no final alcançou o máximo 28.5% eficiência.

Gráfico6dA curva de saída de potência de estado estável mostra que o dispositivo está em contínuo1 solRastreamento de luz 500 Após uma hora, a eficiência inicial é mantida.90%demonstra uma excelente estabilidade a longo prazo.

Eficiência quântica externa(EQE)

A equipa de pesquisa usouEnlitechdoREPSO instrumento de medição foi realizado.EQEMedição, medição da eficiência do dispositivo na geração de corrente sob diferentes comprimentos de onda, para analisar a resposta do dispositivo a diferentes espectros e calcular a densidade de corrente de curto-circuito teórico(JSC)eJ-VOs resultados dos testes são mutuamente verificados.

Gráfico6eApresenta toda a bateria de perovskiteEQELinha espectral que mostra a bateria de largura de energia em uma área de comprimento de onda curto (aproximadamente300-750 nme a estreita lacuna energética(NBG)Subbaterias na área de comprimentos de onda longos (aproximadamente650-900 nmEficiência quântica efetiva. deEQESubbateria obtida pelo cálculo de pontosJSCValores(16.0e16,2 mA cm^-2)comJ-VOs resultados do teste corresponderam bem e confirmaram a precisão dos dados de desempenho.

Eficiência quântica fotográfica(PLQY)

A eficiência do material refletido ou do composto de radiação de película fina está negativamente associada à perda do composto não-radiante.

GráficoS54：NiOx/Me-4PACz/amostras de perovskitaO PLQYSignificativamente inferior ao perovskite puro, confirmado novamenteInterface complexa sériaE.NiOx/S-BA-SAM/Amostras de perovskita mostram maiorPLQY (0,247%)eQFLSresultados coerentes,Prova de novoSAMSuprime eficazmente a composição da interface- É.

Microscópio de força atômica(KPFM)

Medição do potencial de superfície(CPD)Analisar a disposição de nível de energia, uniformidade e distribuição de defeitos das funções e interfaces do material.

Gráfico1h-dia：NiOx / SAMSuperfícieKPFMimagem eCPDO mapa de distribuição mostra,S-BA-SAMTratadoO NiOxSuperfícieCPDDistribuição mais estreita, indicandoSAMcamadas mais uniformes.

Gráfico4a-e：Interface de enterro de perovskitaKPFMA análise também mostrouS-BA-SAMInterface processadaCPDDistribuiçãoFWHMMais estreita e com pequenas mudanças de potencial após o envelhecimento da luz, a interface é mais uniforme e estável.

XEspectro fotoeletrônico(XPS)

Análise da composição elementar e do estado químico da superfície do material, especialmente para pesquisasSAMcomO NiOxInteração entre eO NiOxmudanças químicas.

Gráfico1 gr：Ni 2p3/2 XPSA linha espectral mostra,S-BA-SAMTratadoO NiOxEm comparaçãoO Me-4PACzO pico de processamento tem um deslocamento para a baixa energia de ligação, indicando queS-BA-SAMcomO NiOxHá uma maior transferência de carga e interação entre eles.

Tiro angularXRadiação(GIXRD) /Largo ânguloXDispersião de raios(GIWAXS)

Analise a estrutura cristalina, a orientação do grão e a tensão da película fina.

Gráfico3i-k：GIWAXSEspectrogramas mostram que a divisão do pico de difração causada pela deformação da grade no filme do grupo de controle,S-BA-SAMPelículas finas não têm esse fenômeno, indicando menor tensão,S-BA-SAMfavorece a melhor formação de películas de perovskite(100)orientação, facilitando a transmissão de portadores.

Espectro de emissão de plasma acoplado por indução(ICP-OES)

Medir o teor de elementos metálicos na solução para avaliaçãoSAMparaO NiOxgrau de corrosão da película.

GráficoO S6: SeráEste / NiOxFilme mergulhado em diferentesSAMApós a solução, o usoS-BA-SAMConteúdo de níquel liberado pelo filme submerso em solução(29 ug/L)Muito abaixo do usoO Me-4PACzFilme de solução(87 ug/L)Confirmação direta do novo tipoS-BA-SAMReduzido significativamente, sim.O NiOxefeito corrosivo da camada.

Teoria da função de densidade(DFT)e Dinâmica Molecular(MD)Simulação

Compreensão ProfundaSAMMoléculas eO NiOxMecanismo de adsorção entre superfícies, energia de ligação, distribuição de carga, nível de energia eSAMcomportamento molecular durante a formação.

Gráfico1a-f：DFTCalculado.SAMMoléculas estãoO NiOxConfiguração de adsorção de superfícies, incluindo superfícies vazias com oxigênio, densidade de carga diferencial e funções locais de eletrões(ELF)O mapa. Os cálculos mostramO S-BAcomO NiOxHá uma maior capacidade de ligação, especialmente entre osNiExistem interações adicionais entre eles. GráficoS1644doMDSimulação mostraSAMDistribuição das moléculas na superfícieHomogeneidade, em teoria, apoia o novo tipoSAMContribui à suposição da formação de um filme uniforme.

Outras características

•Microscópio eletrônico de varredura(SEM)： Observe a superfície da película fina e o perfil do dispositivo para avaliar o tamanho do grão, a forma, os defeitos e as alterações morfológicas após o envelhecimento.(Figura)6bFigura3e-h）

•Distribuição luminosa(Mapeamento PL)： Oferecer filmesPLA distribuição espacial da intensidade mostra intuitivamente a uniformidade do filme e a área de defeito.(Como na imagem)S50）

•Analisar a luminosidade do tempo(TRPL)： Medir a vida útil do fluxo fototransportador, refletindo a taxa composta da fase corporal ou da interface.S-BA-SAMVida útil mais longa dos transportadores de película fina tratados- É.(Figura)5J）

•Espectro de energia fotoeletrônica ultravioleta(UPS)： Determinar a função e a posição do nível de energia do material ajuda a construir um mapa de nível de energia para entender a transferência de carga elétrica.(Figura)4f）

•Limitação de corrente de carga espacial(SCLC)Análise: Avaliar a taxa de migração e densidade do transportador da camada de transporte do buraco,S-BA-SAMDiminuição da densidade dos buracos após o tratamento.(Figura)S39）

•Espectro de Impedência Electroquímica(EIS)： Analise a transmissão de carga e a impedância composta dentro do dispositivo.S-BA-SAMO dispositivo apresenta maior impedância composta.(Figura)5i）

•Medição do ângulo de contato: Avaliação do pré-expulsor de perovskite emSAMTratar a umidificação da superfície, afetando a nucleação e o crescimento da película fina.(Figura)S34）

•Localização(In-situ) UV-Visespectro de absorção ePLEspectro: Monitoramento da dinâmica da nucleação e da cristalização de películas de perovskite durante o revestimento rotativo(Figura)2b e c）- É.

•Espectro de massa iônico secundário do tempo de voo(TOF-SIMS)： Análise da distribuição de profundidade dos elementos na estrutura do dispositivo para estudar a migração dos elementos durante o envelhecimento luminoso.(Figura)S33）

•Transformação de Fourier do espectro infravermelho(FTIR)： AnáliseSAMMoléculas e precursores de perovskiteFAIInterações entre moléculas(Como na imagem)2a）- É.

conclusão

A equipe de pesquisa desenvolveu umNovo ácido bórico fraco funcionaliza camada monomolecular de auto-montagem(S-BA-SAM), para a modificação de toda a célula solar de perovskite superstrato de larga energiaO NiOO xInterface de camada de transmissão de buraco elétrico.

Os principais resultados da pesquisa são os seguintes:

Melhoria da estabilidade da interface：S-BA-SAMcomO NiOxFormar ligações sólidas, eficazesSupressãoO NiOO xcorrosãoMelhor desempenho do que os fosfatos tradicionaisSAMe promover emO NiOxda superfície.Filme uniformeMelhoria da interface e cobertura.

Otimização da qualidade do filme:A modificação da interface otimiza significativamente o processo de cristalização de película de perovskite e promoveDistribuição uniforme de halogenoseSuprime a separação fotográficaMelhore significativamente a qualidade do filme e a estabilidade da luz.

Melhorias na transmissão do transportador:Características de interface otimizadas para acelerar a transmissão de portadores,Redução de perdas compostas não radiológicasprolongar efetivamente a vida do transportador.

Aumento significativo da eficiência:Adotando uma bateria de ligação única com amplo intervalo de energia otimizada para a camada de interface, a eficiência de conversão fotoelétrica de18.9%Elevar para20.1%. Células solares superpostas de duas extremidades integradas mais impressionantes28,5% PCErecorde excelente.- É.

Estabilidade a longo prazo:Benefício de largos intervalos energéticosBateria.MelhoriasO empilhamento.Dispositivo de exibiçãoEstabilidade operacionalEm1 solRastreamento do ponto de potência máxima500horas depois,Mantenha a eficiência inicial90%acima- É.

Referência de Nature Communications_DOI: 10.1038/s41467-025-59515-6

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