Realizações e perspectivas de pesquisa

Pesquisa de otimização de interfaces enterradas em células solares de perovskite,Professores Chen Wei e Liu Zhonghao, Universidade de Ciência e Tecnologia da ChinaJuntos.Universidade Técnica Profissional de ShenzhenJingbai LiA equipe de professores fez um grande avanço para explorar a mistura em profundidadeCamada monomolecular auto-montada(SAM)Mecanismos de interação intermolecular durante a deposiçãoO estudo foi publicado em uma das principais revistasComunicações Naturezacom o título "Modular a adsorção competitiva de moléculas híbridas auto-montadas para células solares de perovskite de banda larga eficientes e tandems“.

A equipe de pesquisadores desenvolveu uma estratégia inovadora de modificação da interface para resolver com sucesso as células solares de perovskite com largura de banda(PSCs do GTB)Desafios a médio e longo prazo - MisturaSAMProblemas causados ​​por defeitos de interface entre a adsorção competitiva. Os pesquisadores examinaram sistematicamente três assorbentes diferentes.(PA)eCAeSA)com uso comumSAMmaterialO Me-4PACzMecanismos de interação e efeitos de eficiência.

Os principais resultados da pesquisa incluem:

•O cálculo teórico revelaSAPapel fundamental:Dinâmica molecular (MDTeoria da simulação e da densidade (DFTO cálculo indica claramente,Co-adsorbentesSATendência a preencherO NiOxeITOPontos não cobertos da superfíciee comO Me-4PACzgerar interações favoráveis, promover a sua dispersão e, assim, formarCamada de seleção de buracos mais densa- É.SA-MePoder de ligação ainda superior aEu-EuPoder de ligação, ajuda a quebrarO Me-4PACzReunião.

•Verificação experimentalSAOtimizar a interface e a qualidade do perovskite:Os resultados experimentais demonstram que o usoEm / eu- 4 paczMisturaSAMReduz significativamente a perda de compostos não radiantes da interface e otimiza a disposição de nível de energia da interface enterradaregulamentação eficaz.do WBGQualidade cristalina do perovskite.XPSA análise confirmou ainda maisSACapaz de melhorarO Me-4PACzemO NiOxadsorção acima.SEMeXRDAs técnicas de caracterização também mostram,SAA introdução melhorou a película de perovskitemorfologiae cristalidade.

•PSCs do WBGEficiência melhorada significativamente:baseadoSAestratégia de otimização da interface,1,77 eVCélulas solares de perovskite de banda largaConseguido.20.67%Eficiência de conversão de energia (PCE）e passandoCertificação alcançada20.21%suas alturas.1,332 Vvoltagem aberta (COV），O valor de autenticação é1,313 Vdestaque em dispositivos semelhantes. Em comparação com o grupo de controle, o depósitoSAA película de perovskite no substrato melhorado é mostradaMais alto.O PLQYValorese corresponde a um maiorQFLSValores- É.

•Dispositivo de superstratificação de perovskita completo se aproxima29%Eficiência de certificação:Faça isso eficientePSCs do WBGcom1,26 eVEspaço energético estreito (NBG）PSCsCombinado, preparado com sucesso.Células solares de perovskita dupla (TSCs）O seuPCEAlcançar incrível28.94%(Valor de certificação28.78%pequena área.0,087 cm2）Além disso,Módulos de pequeno tamanho (área de abertura)11,3 centímetros2) também foi realizado.23.92%doPCE- É.

•Os dispositivos de superposição demonstram excelente estabilidade a longo prazo:UtilizaçãoSAInterface melhorada para todo o perovskite superstratificação em condições difíceis (85 ℃，N2ou 85 ℃/85%Humidade relativa) demonstra uma excelente estabilidade operacional a longo prazo.

Figura 1i：SACélulas solares de perovskite de banda larga em base(PSCs do GTB)O MelhorJ-VCurvas

Equipe de Pesquisa

Este estudo pioneiro foi realizado em conjunto por uma equipe multidisciplinar e os autores do boletimProfessor Chen Wei da Universidade de Ciência e Tecnologia da China (Wei Chen(e Liu Zhonghao)Zonghao LiuProfessor e Universidade Técnica Profissional de ShenzhenJingbai Li教授。

Este importante trabalho de pesquisa consiste principalmente em:UnidadeRealizar:

1. Universidade de Ciência e Tecnologia da China(Universidade de Ciência e Tecnologia de Huazhong, HUST)

2. Escola de Tecnologia Profissional de Shenzhen(Universidade Politécnica de Shenzhen)

3. Laboratório do Vale da Luz(Laboratório Optics Valley)

Antecedentes da pesquisa

•Complexidade do projeto de interface:Embora auto-montar camadas monomoleculares(SAM)É amplamente utilizado para melhorar a interface das células solares de perovskite, masMisturaSAMInterações e comportamento competitivo de adsorção durante o processo de sedimentaçãoAinda não foi adequadamente estudado. Compreender como os co-adsorbentes afetam o comumSAMmaterial(ComoMe-4PACz )O processo de membranização é um desafio.

•Perdas compostas não radiológicas:PSCs do WBGA eficiência é limitada aPerda composta não radiológica na interface. Como efetivamente passivar defeitos de interface, reduzir a composição de carga e aumentar a tensão de circuito aberto(COV)É um problema fundamental.

•Realização de alta tensão de circuito aberto(COV)：Apesar dedo WBGMateriais com alto potencialCOVMas o dispositivo realCOVMuitas vezes abaixo dos limites teóricos.ReduzirCOVPerdasEspecialmente as perdas associadas aos compostos não radiológicos da interface são fundamentais para aumentar a eficiência.

•Problemas de Alinhamento Energético:Camada de seleção de buracos elétricos(HTL)entre a camada de perovskita.Alinhamento de energia ruimIsso dificulta a transmissão de carga e reduz o desempenho do dispositivo.

•Qualidade de cristalização da película de perovskite:ObterPelícula de perovskita de alta qualidade, uniforme e com poucos defeitosAinda é um desafio. Os modificadores de interface precisam ser capazes de regular eficazmente o processo de nucleação e crescimento do perovskite.

•Desenvolvimento de baterias de perovskita completa:Será eficientePSCs do WBGcom uma brecha energética estreitaPSCs (NBG)Integrado para construir baterias de superstrato de perovskite de alto desempenhoControle preciso da interface entre as sub-bateriase garantir que a carga elétrica seja composta eficazmente.

Figura 3b

Solução

Em resposta às dificuldades e desafios mencionados acima, a equipeCamada molecular única de auto-montagem de mistura reguladora(SAM)Comportamento de adsorção da concorrênciaSoluções e métodos centrais:

•Formação de interface de regulação precisa:Equipe de pesquisa em profundidadeco-adsorbentes (PA, CA, SA)com uso comumSAMmaterial(Me-4PACz)interação entre eles. Através da Dinâmica Molecular(MD)Teoria da Função Pan-Analógica e da Densidade(DFT)O cálculo revela a diferençaco-adsorbentescomO Me-4PACzemO NiOxeITOComportamento de adsorção e energia da superfície.

•Otimizar a camada de seleção de buracos:Pesquisa descobriuSAComoco-adsorbentepreencher eficazmente os locais não cobertos sem interferirO Me-4PACzA adsorção garante a formação de camadas de seleção de buracos densos- É.

•Supressão de compostos não radiológicos:Em / eu- 4 paczMisturaSAMReduz efetivamente a perda de compostos não radiantes na interfaceIsso por meio de uma maior produtividade quântica fotogênica(PLQY)Divisão de energia quasi-fermiana(QFLS)Vale a pena verificar.

•Melhorar o alinhamento energético:Os cálculos e resultados experimentais mostram queSA-MeOs dímeros permitem uma melhor disposição energéticaContribui à extração e transferência de buracos elétricos da camada de perovskita para a camada de transferência de buracos elétricos.

•Regulação de cristalização de perovskite:Luminosidade in situ(PL)Espectro,XDifração de raios(XRD)E um ângulo amplo de tiroXDispersião de raios(GIWAXS)As características mostram,SAInterfaces modificadas ajudam a obter películas de perovskita com maior qualidade, melhor cristalidade e menos defeitos- É.

•Aumentar a tensão de circuito aberto(COV)：Através dessa estratégia, aumentou significativamentePSCs do WBGdoCOVconfirmado pela análise da perda de energia.A redução das perdas compostas não radiológicas éCOVA principal causa da elevação- É.

•Construir baterias de superposição eficientes:Será eficienteSAModificaçãoPSCs do WBGcom uma brecha energética estreitaPSCs (NBG)Combinado, preparado com sucessoAlta eficiência(28.94%Valor de autenticação28.78%)Células solares totalmente perovskitase demonstrar uma boa estabilidade.

Ao escolher o adequadoco-adsorbente (SA)comO Me-4PACz形成混合SAMregulação fina das características da interface para melhorar totalmente as células solares de perovskite de banda larga e seu desempenho em pilhas de perovskite inteiras- É.

FiguraS10

Passos e processos experimentais

Preparação de materiais

•Utilização principal da pesquisaÁcido[4-(3,6-dimetil-9H-carbazol-9-il)butil]fosfônico(Me-4PACz)Como uma camada monomolecular auto-montada(SAM)materiais.

•Três alquilaminas bifuncionais diferentes são usadas simultaneamente como co-adsorbentes:Ácido (6-aminohexil)-fosfônico (PA)eÁcido 7-aminoheptanoico (CA)eÁcido 6-aminohexano-1-sulfônico (SA)- É.

•Estes materiais dissolvem-se em proporções específicas para formar uma mistura em etanol.SAMSolução.

•Brechas de banda larga(Grupo de Trabalho)Solução precursora de células solares de perovskite baseada emFA0.8Cs0.2Pb (I0.6Br0.4) 3composição.

•Lacuna energética estreita(NBG)Solução precursora de células solares de perovskite baseada emFA0.6MA0.3Cs0.1Pb0.5Sn0.5I3 composição.

Processo de pesquisa e descobertas importantes

•Estudo de Computação(DFT)cálculo eMDSimulação)：

○DFTCalculação:ExplorePAeCAeSAemO NiOxeITOSuperfíciepadrão de combinação com a adsorção. Os resultados mostraram,SAemITOA adsorção é mais forte do queO Me-4PACz- É.

○MDSimulação:Pesquisa de adsorbentes eO Me-4PACzcomportamento de absorção da concorrência.SAPrimeiro pode ser absorvidoO NiOxA superfície e, em seguida, atravésSA-MeReforço de dímerosO Me-4PACzadsorção, ajuda a formar uma camada molecular de adsorção mais uniforme e preencherO NiOxemITOÁreas não cobertas pela superfície- É.SA-MeA combinação de dímeros é maior do queEu-EuDiómero- É.

○O cálculo mostra,SA-MeOs dímeros permitem uma melhor disposição energética- É.

Figura S4a e Figura 1a-d

•Preparação e teste de células solares:

○com base em diferentesSAMModificadoEste / NiOxSubstrato preparado completoPSCs do WBGDispositivos.SAO dispositivo de base alcançou o mais altoPCE 20,67%(Valor de autenticação20.21%)eVol 1,332 V(Valor de autenticação1,313 V)- É.

○Otimizado pela integraçãodo WBGeNBGBateria, pronta.2-Células solares de perovskita completa(TSCs)，baseadoSABateria de superposição alcançou o mais altoPCE 28,94%(Valor de autenticação28.78%)- É.

○Também foi fabricado com baseSAmicrocomponentes de superposição,MédiaPCEpara21.82±1.28%(Área do orifício11,3 cm2)- É.

Figura 4c

•Estabilidade da bateria:

○baseadoSAAs baterias em85℃Atmosfera neutra de nitrogênio85℃/85%Em ambientes com umidade relativaEstabilidade de armazenamento melhorada. Em contínuoAM 1,5 GÀ luz.MPPTexecutar500horas depois,Mantendo o inicialPCEdo85%- É.

Figura 4f

Caracterização dos resultados da pesquisa

Produtividade quântica fotoluminescente(PLQY)Divisão de energia quasi-fermiana(QFLS)

Medição do perovskite depositado em diferentes substratosO PLQYe calculado o correspondente.QFLSQuantificação.SAM/Perda composta não radiológica da interface do perovskite.

Gráfico3D e: exibir a película de perovskite depositada no fundo do vidroO PLQYO valor é4.231%Correspondente.QFLSO valor é1.388 eV. Para o depósito na misturaSAMsobre a película de perovskite,SAA amostra obteve o maiorO PLQYValores3.005%Correspondente.QFLSO valor é1,379 eV- É.SAEstratégias de coabsorção podem ser reduzidasSAM/Perda composta não radiológica da interface do perovskite.

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Corrente-Tensão(J-V)Curvas

Medidas com base em diferentesSAMModificadoEste / NiOxBrechas de banda larga para a preparação do substrato(Grupo de Trabalho)Células solares de perovskite(PSCs)e pilhas solares de perovskita inteira(TSCs)doJ-VCurvas, incluindo varredura positiva e reversa.

l Células solares de perovskite de banda larga(PSCs do GTB)：UtilizaçãoSAO dispositivo co-adsorbente mostrou uma melhoria significativa do desempenho, alcançando o mais altoPCE 20,67%(digitalização inversa) e1,332 VTensão de circuito aberto(Voc)Este resultado foi certificado,PCEpara20.21%，Vocpara1,313 V(GráficoS23)Estes valores foram relatados na época.(1,77 eV) PSCs do WBGno nível mais alto.

l Células solares totalmente perovskitas(TSCs totalmente perovskitas)：SAO co-adsorbente também melhora significativamente o desempenho da bateria de superposição, alcançando o máximoPCE 28,94%(digitalização inversa) e2,146 VdoVoc. Saída de potência estávelPCEpara28.72%(GráficoS37). A pilha de bateriaPCECertificado como28.78%，Vocpara2,145 V(GráficoS38)- É.

l baseadoSAMicro-componentes de superposição:Baseado em cinco sub-bateriasSAMicro-componentes de superposição mostram boa uniformidade, médiaPCEAtingido21.82 ±1.28%(Área do orifício11,3 centímetros2)Os melhores micro-componentesPCEpara23.92%，Vocpara10,10 V(Gráfico4e)- É.

Eficiência quântica externa(EQE)

Equipe de Pesquisa UsaEnlitech QE-RSistema de medição de eficiência quânticaMedidas com base em diferentesSAMum único nóPSCs do WBGePSCs NBGe pilhas solares superpostas.EQEEspectro.

GráficoS20Grupo de controle,PAgrupo,CAGrupo eSAGrupodo WBGdo dispositivoEQEPontosJscPor separado 17.42、17.60、17.64e18,06 mA cm?2eJ-VScan extraídoJscA coincidência. Gráfico4De gráficosO S36bMostrou.SAKiTSCdodo WBGeNBGSub-bateria.EQEEspectro,EQEPontosdo WBGeNBGSub-bateria.JscOs valores são respectivamente 15.94e15,71 mA cm?2- É.

Luminosidade in situ(PL)Espectro

Monitoramento do perovskite durante a fase de revestimento do precursor e de recolha no grupo de controle eSAComportamento de cristalização no substrato do grupo. （GráficoS24）

XEspectroscopia fotoeletrônica de raios(XPS)

UtilizaçãoXPSMedidas com base emO Me-4PACzIndividualmente (grupo de controle) e comPAeCAouSAMisturadoSAMModificadoEste / NiOxComposição química da superfície do substrato e preço dos elementos. Verificar a presença de co-adsorbentes e estudá-los paraO Me-4PACzemO NiOxEfeitos da adsorção superficial e condutividade elétrica.XPSOs resultados confirmam diretamente que o co-adsorbente está na misturaSAMpresença e revelação.SAA introdução não só é eficaz eO Me-4PACzCo-absorção, também pode melhorarO Me-4PACzcomO NiOxcombinar e melhorarO NiOxcondutividade elétrica.（GráficoO S9eS10eS11eS12）

Dispersião dinâmica da luz(DLS)

UtilizaçãoDLSA distribuição de tamanho de partículas de microglídulos em diferentes soluções moleculares de adsorção misturadas foi medida. Os resultados mostraram que a introdução de coassorbentes diminuiu.O Me-4PACzO tamanho médio das microglídulas formadas na solução indica que o co-adsorbente é inibidoO Me-4PACzFormação de micropartículas (GráficoS13）

ultravioleta-Luz visível(UV-Vis)Espectro

MonitoramentoO Me-4PACzemEste / NiOxDinâmica de adsorção no substrato, direcionada a indivíduosO Me-4PACzsolução eO Me-4PACzcomPAeCAouSAsolução misturada.Em / eu- 4 paczA taxa de adsorção é mais rápida e a carga é maior.（GráficoS14）

Medição do ângulo de contato

mediu gotas de água no grupo de controle ePAeCAeSATratado.Este / NiOxO ângulo de contato no substrato.O aumento do ângulo de contato indica que a introdução de coassorbentes aumenta a hidrofobia da superfície, principalmente devido à mistura.SAMMelhor cobertura.Este / NiOxNa superfície, a exposição de grupos altamente hidrofílicos é reduzida.（GráficoS15）

XDifração de raios(XRD)E tiros invasores.XDifração de raios(GIXRD)

UtilizaçãoXRDMedir o sedimento em diferentesSAMA estrutura cristalina da película perovskita modificada sobre o substrato. Utilizaçãodo GIXRDO estresse residual do filme foi estudado. （GráficoS26、GráficoS27）

Largo ângulo de tiroXDispersião de raios(GIWAXS)ePLMapeamento

Utilizando a técnica de descarte para expor a superfície inferior do perovskite e realizarGIWAXSePLMapeamento da caracterização. Pesquisa misturadaSAMEfeitos sobre a massa de perovskita na interface inferior e compostos não radiantes. Em comparação com o grupo de controle,SAPelículas de perovskite apresentam maiorPLA intensidade e a maior uniformidade indicam que o composto não-radiante na interface inferior é inibido. （GráficoS28Figura2i-L）

Espectro de energia fotoeletrônica ultravioleta(UPS)

Camada de transporte de buraco vazio preparada para medição(HTL)disposição energética. AvaliaçãoSAMModificação corretaEste / NiOxFunção e valor máximo da faixa de preço(VBM)efeitos. （Gráfico3ae gráficosS29）

Distinção do tempo da luminosidade(TRPL)

Medição de depósitos em diferentesSAMModificação da dinâmica do transportador de uma película de perovskite no substrato. （Gráfico3b e c）

conclusão

A equipe de pesquisadores explora em profundidade a mistura de camadas monomoleculares auto-montadas(SAM)adsorbentes chineses e[4-(3,6-Dimetilo- 9H-Carazol-9-Ki)Dinki]Ácido fosfato(Me-4PACz)Interações e suas células solares de perovskite em largura de banda eficiente(PSCs do GTB)e aplicações em células solares em superposição. A pesquisa descobriu,6-Aminohexano-1-Ácido sulfônico(SA)Como co-adsorbente, é capaz de preencher eficazmente os locais não cobertos sem interferirO Me-4PACzadsorção, formando assim uma camada densa de seleção de buracos elétricos.

Através da dinâmica molecular(MD)Teoria da Função Pan-Analógica e da Densidade(DFT)O cálculo, a pesquisa mostraSAcomO Me-4PACzO equilíbrio entre a superfície e interações intermoleculares ajudaO Me-4PACzemO NiOxeITOA superfície é mais uniformemente absorvida.XPSResultados de caracterização verificadosSAEm misturaSAMpresença e demonstraçãoSACapazMelhorarO Me-4PACzcomO NiOxcapacidade de combinar e melhorarO NiOxcondutividade elétrica.

Os principais resultados deste estudo incluem:

• baseadoEm / eu- 4 paczMisturaSAMdoPSCs WBG de 1,77 eValcançado até20.67%Eficiência de conversão de potência(Certificado como20.21%)e1,332 VTensão de circuito aberto(Certificado como1,313 V)- É.

•Em / eu- 4 paczMisturaSAMReduz efetivamente a perda composta não-radiante da interface, otimiza a disposição dos níveis de energia e regulado WBGCristalização de perovskita- É.XRDeSEMOs resultados mostram que o usoSAA película de perovskite depositada no fundo temMais cristalidade, menos defeitos e superfícies mais planas- É.

• Será otimizadodo WBGA bateria e1,26 eVLacuna energética estreita(NBG) PSCCombinado, pronto.Células solares totalmente perovskitas(TSCs)O seuPCEChegou.28.94% (Certificado como28.78%)，Vocpara2,146 V- É.

• baseadoSAMicro-componentes de superposição (área de abertura)11,3 centímetros2）Mostra a média21.82%doPCEO melhor dispositivoPCEAtingido23.92%，Vocpara10,10 V- É.

• Testes de estabilidade mostram que com base emSADispositivos de superposição sob luz contínua500Depois de uma hora, mantenha o início.PCEdo85%Ao mesmo tempo, o desempenho foi melhorado em termos de estabilidade térmica e estabilidade térmica úmida.

Referência de Nature Communications_DOI: 10.1038/s41467-025-58111-y

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