Antecedentes e desafios da pesquisa

Perovskita-Células solares orgânicas (POTSCsCom a sua vantagem de ajustável, em teoria, com uma bateria de interface únicade Shockley-Queisserlimite do potencial. Em comparação com outras tecnologias,POTSCsVantagens: as propriedades de filtragem ultravioleta da camada de perovskita melhoram a estabilidade operacional, a estrutura de película fina completa suporta o processo de rolo a rolo de alta produção e pode ser processada em um substrato flexível em ambientes convencionais, especialmente adequado para aplicações como integração de edifícios, integração de veículos e eletrônica portátil.

No entanto,POTSCsO desenvolvimento enfrenta principais gargalos tecnológicos:Eficiência certificada (24.7%(ainda abaixo do total perovskite bateria serial)28.2%e perovskitaCIGSBateria em série (24.2%）O principal problema que causa essa queda de eficiência éCorrente infravermelha próxima insuficiente na bateria de fundo orgânico de intervalo estreitoAs principais razões incluem:

1. Falta de materiais aplicáveisFalta atual de alta eficiência de receptores de energia estreita não-fulereno (NFAs). ExistentesY6lacuna óptica do receptor (~ 1,33 eV(A lacuna energética ideal para a configuração serial)~ 1,00 eV(Ainda é subotimização.

2. Difícil de correspondência energéticaRedução tradicionalNFAEstratégias de lacunas energéticas (como prolongar o comprimento da conjugação, reforçar a transferência de carga intramolecular) tendem a levar aHOMOA elevação excessiva do nível de energia provoca uma desigualdade de nível de energia com a estrutura do polímero, o que afeta a eficiência de desligação do excitador e limita a tensão de circuito aberto e o desempenho do fator de preenchimento.

Equipe de Pesquisa e Principais Resultados

Pesquisa porHo Yi, Departamento de Engenharia Química e Biomolecular da Universidade Nacional de Singapura e Instituto de Energia Solar de Singapura(Yi Hou)教授Liderança, resultados de pesquisa publicados em revistasNatureza“.

A equipe de pesquisa tem como objetivoPOTSCsOs principais gargalos de eficiência apresentam duas estratégias chave de inovação:

Estratégia 1: Melhore o desempenho da bateria de fundo orgânico Equipe projeta para sintetizar um novo tipo de receptor asimétrico não-fulerenoP2EH-1VUtilização de conjugação unilateralπEstratégia de ponte reduz a lacuna óptica para1,27 eVMantendo ao mesmo tempo a desligação excitatória ideal e a nano-formação. Confirmação espectral por meio de absorção transitória de fessegundosPM6ParaP2EH-1VEficiente transferência de buracos vazios e medição de eficiência quântica usando eletroemisência para mostrar a perda de tensão não-radiante de0,26 eVSignificativamente reduzido para0,20 eV- É.

Estratégia 2: Otimizar a interface da bateria do perovskite com largos intervalos de energia Desenvolvimento de novas camadas monomoleculares auto-montadasdo Br-Ph-4PACzFunção reguladora eficaz através de substituição de bromofenilo eHOMOO nível energético melhora o alinhamento da banda energética com o perovskite e reduz a perda do composto da interface. O alinhamento de nível de energia foi avaliado com espectroscopia de energia fotoeletrônica ultravioleta, microscópio de força de sonda Kelvin e a redução do composto não-radiante e o aumento da tensão interna foram confirmados por meio de medições de divisão de nível de energia de fotoemissão de estado estável e quasi-fermite.

Resultados inovadoresEm conjunto com a estratégia de inovação acima,POTSCsEficiência alcançada26.7%Certificado independentemente pelo Instituto de Microsistemas e Tecnologia da Informação de Xangai26.4%atingir mais do que3 cm²Área do dispositivoRecorde mundial- É.

Figura 4g

Etapas experimentais e preparação do dispositivo

Figura 4a

Este estudo é baseado em duas estratégias principais:Projeto e preparaçãoComponentes-chave de células solares de alto desempenho, em última análiseIntegraçãoPerovskite recorde-Células solares orgânicas seriais. Aqui estão as principais etapas e processos experimentais:

Estratégia central de pesquisaO estudo foi desenvolvido principalmente em torno de dois gargalos principais: um é a melhoriaBateria de fundo orgânico de intervalo estreitoCorrente óptica, a segunda é a soluçãoBateria de perovskita de larga aberturaProblemas de perda de tensão e fator de enchimento.

Materiais inovadores e preparação para baterias de fundo orgânico de intervalo estreito

• Novo tipo de receptor não-fulereno asimétrico(NFA) P2EH-1VSíntese bem sucedida

• Equipe de PesquisaProjetado e sintetizado com sucessoUm novo tipo.Receptores não-fulerenos asimétricosP2EH-1V- É.

• Esse material passa porConjugação unilateralπEstratégia da ponteReduzir a lacuna óptica para1,27 eV- É.

• Montagem eficiente de unidades de bateria orgânica

• Utilização de células solares orgânicasITO / MoOx / PM6: NFA / PDINN / AgA estrutura é preparada.

• Entre eles,PM6Como estruturaeP2EH-1Vcomo receptorAmbos com 1:1.2Proporções de misturaNa solução de cloroformo, a concentração total é16 mg/ml- É.

• Coloque a mistura naMoOxSobre a camada, posteriormente, o tratamento de cozimento térmico e, finalmente, a deposiçãoPDINNeAgO eletrodo está pronto.

Otimização e preparação de interfaces para baterias em perovskita de larga abertura

• Nova camada monomolecular auto-montada(SAM) Br-Ph-4PACzDesenvolvimento

• Equipe de PesquisaDesenvolvimento e sínteseUm novo tipo.Camada monomolecular auto-montadado Br-Ph-4PACz- É.

• Este material foi introduzidoSubstituição de bromofenilodestinado a regular eficazmente a função eHOMONivel de energia para melhorar o alinhamento com o perovskite.

• Preparação de unidades de bateria em perovskite de alto desempenho

• Adopção de células solares de perovskite de larguraITO/SAM/Perovskita/ C60 / BCP / AgA estrutura é preparada.

• Primeiro, será SAM (Br-Ph-4PACz)SoluçãoRotação pintada em padronizadoITOSobre o substrato de vidro e aquecido.

• Em seguida, seráSoluções de precursores de perovskite com composição específica(Cs0.25FA0.75 Pb (Br0.4I0.6) 3) Rotação emSAMSobre a camada, e fazer o cozimento para formar uma película de perovskite.

• Por fim, depositar em ordemEDAI2solução,C60eBCPeAgeletrodos para completar o dispositivo.

Perovskite de alta eficiência-Integração de células solares seriais orgânicas

• Otimizar a estrutura de dispositivos serializados e o design de camadas de interconexão

• Perovskite final-Células solares orgânicas são usadasvidroITO/SAM/Perovskita/ C 60 / SnOx / ITO / MoOx /Orgânico/ PDINN / Agarquitetura completa do dispositivo.

• Camada de Interligação Criticallocalizado entre a bateria do perovskite e a bateria do fundo orgânico,C60Deposito da camada atômica(ALD)doO SnOx, pulverizadoITOE a evaporação térmica.MoOx Composição para garantir a transferência eficiente de carga.

• Sobre a bateria.Espessura da camada de absorçãoOtimizado com precisão (perovskita)290 nmCamada orgânica aproximadamente110 nmpara equilibrar a densidade de corrente entre as duas sub-baterias.

Métodos de caracterização e resultados

Divisão quasi-fermiana(Divisão de Nível Quasi-Fermi, QFLS)

AvaliaçãoSAMPerda de tensão com a interface do perovskite e efeito de inibição composta não-radiação,QFLSElevar o dispositivo de reflexão diretoCOVMelhorar o potencial.

Medição de tensão em circuito aberto dependente da intensidadeQFLSA análise mostrou,do Br-Ph-4PACzA película de perovskite tratada mostrou um efeito notável de otimização da interface.O Br-Ph-4PACzTensão de circuito aberto proposta para pilhas de perovskita(iVoc)Atingido1,38 Vclaramente superior aoO Me-4PACzpilha de perovskita1,34 VMelhoria na amplitude40 mVEste resultado confirmado Br-Ph-4PACzRedução eficaz da função reguladora através da substituição de bromofeniloSAMIncompatibilidade energética com a interface de perovskite, reduzindo a perda composta da interface, para o dispositivoCOVAumentar o fornecimento de força motriz direta.

Gráfico3DMostrar uma única célula solar de perovskite em dois tiposSAMsob tratamento.COVanálise de perdas comparativas.do Br-Ph-4PACzamostra mostra mais altoQFLSValor e menor perda de tensão de interface, visualização intuitiva de funcionalização de bromofeniloSAMVantagens significativas na otimização da engenharia de interfaces.

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Corrente-Tensão(J-V)Medição da curva

Avaliar o desempenho de conversão fotoelétrica de dispositivos monoblocos e seriais, refletindo diretamente o efeito combinado da inovação de materiais e da otimização da engenharia de dispositivos.

Simulação em uma caixa de luvas de enchimento de nitrogênio1sol AM 1.5GLuz(100 mW cm)^-2)Dispositivos de medição de diferentes áreas(0,050 cm)²com1.019 centímetros²)Desempenho.

l PM6: P2EH-1VCélulas solares orgânicasRealização17,9% PCEBreakthrough, demonstração0,82 VTensão aberta,28,60 mA cm^-2Alta densidade de corrente de curto circuito e76.5%Factor de preenchimento.

l do Br-Ph-4PACzCélulas solares de perovskitealcançado20,4% PCEDisponível1,37 VTensão de circuito aberto ultra-alta e85.5%Excelente fator de preenchimento.

l Perovskita-Células solares seriais orgânicasRealizar um recorde26,7% PCE(COV: 2,14 V, JSC: 15,15 mA cm^-2FF: 82,4%)Dispositivos de grande área(1.019 cm)²)Manter igualmente26,7% PCE- É.

Certificação independente do Instituto de Microsistemas e Tecnologia da Informação de Xangai26,4% PCEPositivo e contrário varredura consistente e sem atraso evidente, perovskite monoligado de grau centímetro certificado, perovskiteCIGSe perovskita-Bateria serial orgânicaPCERegistro- É.

Gráfico4bMostra baterias orgânicas unidas, perovskitas e seriaisJ-VA combinação de curvas, que contrasta claramente os parâmetros optoelétricos de três dispositivos, apresenta intuitivamente as vantagens significativas da arquitetura de hierarquia na adição de tensão e otimização da correspondência de corrente.

Gráfico4eMostrarSIMITCertificado3 cm²Bateria serialJ-VCurva, Positivo e InversoPCETodos são26.4%Confirmar o desempenho e a estabilidade do dispositivo em aplicações práticas.

Eficiência quântica externa(Eficiência Quântica Externa, EQE)medição

Avaliar a resposta espectral de cada sub-bateria e a correspondência de corrente para verificar a sinergia e o equilíbrio de corrente da sub-bateria em uma bateria serial.

PM6: P2EH-1VBateria de fundo orgânicaPorqueP2EH-1Vpropriedades de absorção do deslocamento vermelho do material,EQEDensidade de corrente integral alcançada27,86 mA cm^-2eJ-VResultados de teste altamente concordantes(Erro<3%)- É.Perovskita-Bateria serial orgânicaBateria de perovskita e bateria de base orgânicaEQEPontosJSCPor separado15,20 mA cm^-2com15,14 mA cm^-2Mostrar que a densidade de corrente entre as duas sub-baterias atingiu uma boa correspondência é a chave para obter uma bateria serial de alta eficiência.

Gráfico4DPerovskita-Perovskite e sub-baterias orgânicas em baterias seriais orgânicasEQECurvas e integraisJscmostra duas sub-baterias da bateria serialEQECurvas que mostram claramente sua contribuição para a absorção de luz de diferentes comprimentos de onda e a densidade de corrente alcançada após a integração

Eficiência quântica da luminosidade elétrica(Eficiência quântica da eletroluminescência, EQEEL)medição

Avaliação da perda de energia não-radiante de células solares orgânicas e mecanismos compostos, usoEnlitech ELCT-3010 (REPS)SistemaAplicar tensão externa ao dispositivo/A fonte de corrente é medida.

P2EH-1VMateriais receptores inovadores demonstram efeitos de inibição de compostos não radiológicos, comP2EHEm comparação com o dispositivo de referência,P2EH-1VRedução da perda total de energia do dispositivo0,05 eVprincipalmente devido à redução significativa da perda de energia não radiológica0,26 eVMelhorias significativas para0,20 eVEste resultado confirmaP2EH-1VReduza efetivamente a densidade de estado defeituoso e os caminhos compostos não radiantes através de um design estrutural molecular otimizado.

Gráfico2fMostrarPM6: P2EHePM6: P2EH-1VcomPM6: P2EH-2VResumo da análise da perda de energia de células solares orgânicas, claramente comparando a perda de energia não radiante de diferentes materiais receptores(ΔEnon-rad)Distribuição, apresentação intuitivaP2EH-1VVantagens significativas na inibição de compostos não radiológicos.

Tipo sensívelEQE/Espectrómetro de corrente óptica de transformação Fourier(EQE/FTPS sensível)

Avaliar mecanismos detalhados de perda de energia de células solares orgânicas, usoEnlitech PECT-600 (FTPS)SistemaRegistro sensívelEQECombinado com luminosidade elétrica(EL)Curvas realizadasgaussianoAnálise adequada.

FTPS-EQEcomELConfirmação do ajuste preciso da curvaP2EH-1VO desempenho do dispositivo na supressão da perda de energia não radiológica. O alinhamento da curva reflete diretamente o equilíbrio do processo composto de radiação e não-radiação do dispositivo,P2EH-1VOs materiais alcançam o duplo efeito do aumento do composto de radiação e da redução das perdas não-radiantes através de um design eletrônico otimizado.

Gráfico2 horasMostrarPM6: P2EH-1VDispositivos de misturaFTPS-EQECurvas com luminosidade eletrônicagaussianoContraste adequado, alta consistência de duas curvas e alinhamento preciso confirmado intuitivamenteP2EH-1VEficacia na redução da perda de energia não radiológica.

Outras características

ultravioleta-Espectro visível(UV-Vis)Caracterizar as propriedades de absorção de luz do material e avaliar o efeito de regulação da lacuna energética.P2EH-1VAbsorbe deslocamento vermelho evidente80 nmA lacuna óptica diminui para1,27 eVampliar a absorção de luz infravermelha próxima.(Gráfico1b)

Largo ângulo de tiroXDispersião de raios(GIWAXS)Caracterizar o comportamento do cristal de película fina e a orientação da acumulação molecular, avaliar o caminho de transmissão de carga elétrica. TodosNFAorientação prioritária,PM6: P2EH-1VA membrana de mistura mantém uma acumulação bem ordenada.(Gráfico1d)

Microscópio de força atômica(AFM)Avaliar a forma e a rugosidade da superfície do filme para refletir a qualidade do filme.do Br-Ph-4PACzA superfície do perovskite é mais uniforme e a rugosidade é reduzida para18,9 nmMelhor do queO Me-4PACzdo22,2 nm- É.(Figs.. 27)

Espectro de energia fotoeletrônica ultravioleta(UPS)Avaliar a função da interface do material e o alinhamento do nível de energia para otimizar a transferência de carga da interface.do Br-Ph-4PACzHá funções mais profundas com alinhamento mais favorável da banda de energia, reduzindo a perda de energia da interface.(Gráfico3b)

Microscópio de força de sonda Kelvin(KPFM): QuantificaçãoSAMEfeito de regulação de função, otimização de engenharia de interface de verificação.KPFMConfirmação de imagemdo Br-Ph-4PACzAjustar mais eficazmenteITODistribuição de funções do substrato.(Figs.. 18)

Espectro luminescente(PL)e concentraçãoPLMapeamentoAvaliar a perda composta não-radiante e a uniformidade do filme, refletindo o efeito de passivação do defeito.do Br-Ph-4PACzPelícula de perovskitaPLCinco vezes mais força.O PLQYde0.41%Significante aumento para1.82%- É.(Gráfico3c)

Espectro de absorção transitório(TA)Avaliar a dinâmica da carga e o processo de transferência do buraco para verificar a eficiência da dissolução do excitão.de 575 nmInstalaçõesGSBDinâmica confirmadaP2EH-1VparaPM6Eficiente transferência de buracos.(Gráfico2d)

Probabilidade de desligação de carga(Pdiss)AnáliseAvaliar a eficiência da produção de carga fotogênica do exciton e quantificar a capacidade de dissociação do exciton.PM6: P2EH-1VDispositivosPdissDa96.1%demonstrar a probabilidade de geração de carga elétrica.(Gráfico2e)

Espectro de Impedência(Impedância)Estude a resistência composta de carga do dispositivo para avaliar as propriedades de transmissão do transportador.NyquistaMostrar gráficoP2EH-1VOs dispositivos têm maior resistência composta e baixa perda composta de carga.(Figs. 14)

Corrente óptica transitória(TPC)mediçãoMedir a vida útil de extração do carregador de carga e avaliar a eficiência da coleta de carga.do Br-Ph-4PACzA vida útil da decadência de corrente óptica do dispositivo é reduzida para0,73 μsAumentar a eficiência da extração do transportador.(Gráfico3f)

Medição do ângulo de contato：研究SAMPropriedades de umidificação para avaliar a uniformidade da cobertura do filme.do Br-Ph-4PACzO ângulo de contacto da base diminui para10.4°Melhorar a umidificação do precursor do perovskite e a cobertura de película fina.(Figs.. 22)

Ponto de potência máximo a longo prazo(MPP)Avaliação de estabilidadeAvaliar a estabilidade operacional a longo prazo do dispositivo e verificar o potencial de utilização. Embalagem bateria serial783Mantenha depois de uma hora.80%eficiência,do Br-Ph-4PACzDispositivosO T80Extendir para550Horas.(Gráfico4 horas)

Microscópio eletrônico de varredura em seção(SEM)Visualize a estrutura do dispositivo em série e a espessura das camadas para verificar a precisão da preparação. Apresentação clara do perovskite pós-otimizado(~290 nm)com orgânico(~110 nm)Estruturas de absorção e interconexão de camadas múltiplas.(Gráfico4a)

conclusão

Equipe de pesquisa em perovskite-Avanços revolucionários no setor de células solares orgânicas seriais alcançaram eficiência e estabilidade recordes através de uma estratégia de inovação dupla.

Avanços tecnológicos essenciais

Design de materiais inovadoresDesenvolvimento de um novo tipo de receptor não-fulereno asimétricoP2EH-1VAtravés de botões duplos de vinilo unidirecionalπEstratégia de ponte reduz a lacuna óptica para1,27 eVDeslocamento vermelho espectral de absorção80 nmalcançar até28,60 mA cm^-2densidade de corrente de curto circuito. Eficiência da bateria orgânica17.9%a perda composta não radiológica de0,26 eVBaixar para0,20 eVProbabilidade de desligação de carga elevada96.1%- É.

Otimização de Engenharia de InterfaceProjeto de camadas monomoleculares auto-montadasdo Br-Ph-4PACz, através da função de regulação de substituição de bromobenzeno e alinhamento de banda, tornando a película de perovskitePLCinco vezes mais força.O PLQYde0.41%Significante aumento para1.82%. Eficiência da bateria em perovskita de largos intervalos20.4%Disponível1,37 VAlta tensão aberta e85.5%Factor de preenchimento.

Desempenho

Eficiência recorde: Perovskita-Implementação de células solares seriais orgânicas26,7% PCECertificado independentemente pelo Instituto de Microsistemas e Tecnologia da Informação de Xangai26.4%，Exceede todos os perovskitos monoligados de grau centímetro, perovskitos atualmente relatados-Perovskita e perovskitaCIGSRegistro de bateria serialPara. 1 Dispositivo de área efetiva de centímetros quadrados com eficiência estável de conversão de potência(PCE)Atingível26.5%

Excelente estabilidade: embalagem de baterias seriais em condições ambientais(25°C, 85%Umidade relativa)Escritura783HorasMPPManter após rastreamento80%Eficiência inicial significativamente superior à bateria orgânica únicaT80Apenas180Horas)- É.do Br-Ph-4PACzDispositivosO T80Extendir para550Horas, o efeito positivo do filtro ultravioleta da camada de perovskita na estabilidade a longo prazo foi confirmado.

Referência de Nature_DOI: 10.1038/s41586-025-09181-x

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