Antecedentes e desafios da pesquisa

Nos últimos anos, as células solares de perovskite(PSCs)Camada monomolecular auto-montada(SAM)Os estudos aplicados mostraram que seu mecanismo de ação difere significativamente dos princípios tradicionais de design de interfacesn-i-pUtilizado como camada molecular de seleção eletrônica na estrutura(ESMLs)Tempo. Este desvio das teorias tradicionais levou os pesquisadores a revisarSAMO mecanismo de ação prática é principalmente refletido nos seguintes três aspectos:

1. A contradição teórica dos princípios de design：p-i-nOs buracos elétricos na estrutura são extraídos da montagem de camadas monomoleculares(HSSAM)Adota unidades de anilina para propriedades eletrônicas, mas pode melhorar eficazmente o óxido condutor transparente(TCO)função de função, o que contradiz a teoria tradicional de que os grupos de absorção de elétrons devem melhorar a função de função.

2. A importância do mecanismo de doping de superfícieAs evidências experimentais mostram que,SAMO principal efeito pode não ser limitado ao efeito dipolar da interface, mas através da formação de regiões de enriquecimento eletrônico ou falta de eletrônicos na superfície, semelhante ao "doping de superfície".(Doping de superfície)mecanismo que facilita a extração de um veículo específico. Isso explica por que están-i-pFalta de eletrônicos na estruturaSAM(ESSAM)Pode ser eficaz como camada eletrônica de seleção.

3. Problemas de uniformidade de processo e estrutura：PSCsO método de rotação comumente usado na preparação é difícil de garantirSAMDisposição uniforme, o estudo descobriuHSSAMEm aplicações práticas, muitas vezes apresentam uma cobertura superficial desigual e até formam estruturas de camadas múltiplas em vez de camadas monomoleculares ideais, levando a aleatorização da orientação diopolar, desviando ainda mais da tradição.SAMConceito.

Equipe de Pesquisa e Principais Resultados de Pesquisa

Este estudo foiInstituto de Estrutura de Materiais de Fujian, Academia Chinesa de Ciências(Peng Gao)教授Liderança, artigo publicado emJornal da Sociedade Química Americana (JACS)- É.

Equipe de pesquisa adota"Engenharia de superfície com falta de eletrônica"(Engenharia de Superfície Sinérgica com Deficiência de Elétrons)Método de análise sistemática de materiais eletrônicos deficientes de diferentes intensidades, projetado para resolver as células solares perovskita(PSCs)Camada monomolecular auto-montada(SAM)O problema do mecanismo de ação se desvia dos princípios tradicionais de design de interfaces dipolares. Eles estudaram.Camada molecular de seleção eletrônica de bipiridino de dupla função(ESMLs)e através do grupo carboxílico(Bpy-COOH)Substituir porParte de ciano acrílico de absorção forçada de elétrons(Bpy-CAA) Para ajustar a intensidade de absorção de eletrões da molécula para aumentar a adsorção, extração de eletrões e efeitos de passivação. A pesquisa revelouAs propriedades eletrônicas das moléculas são mais decisivas para a extração eletrônica eficiente do que a orientação dipolar.

Principais resultados:

1. Desenvolver eficientesBpy-CAAEnlace básicoPSCDispositivo, conseguido. 23.98%Eficiência de conversão de potência(PCE)- É.

2. 3 cm² Grande árean-i-p PSCDispositivosPCEAtingido 21.63%Utilização orgânica no relatório atual.ESMLsuma das altas eficiências.

3. SeráBpy-CAAComoSnO2 ouPerovskite quando em contato com a camada de interfacePSC PCEAtingido 26.00%- É.

4. Aplicado em perovskite de quatro extremidades/Células solares de silício(4T-P/STSCs)Quando foi alcançado o impressionante 30,83% PCEEntre os relatados4T-P / STSCsAlta eficiência（Figura 7eTabela 1）

Passos e processos experimentais

Figura 4a

Preparação de materiais e componentes

1. Síntese de materiais

• Adopção de vendas municipaisBpy-COOHmaterial

• Passando por um passoKnoevenagelSíntese de reação de condensaçãoBpy-CAA

2. Processo de preparação de células solares

• Tratamento do substrato：FTOLimpeza do substrato por ultra-som(Limpador, água deionizada, acetona, etanol)Tratamento de plasma

• Camada de transmissão eletrônica: Dilução rotativado SnO2Solução colóide e cozimento, formando cerca de35 nmEspessura da camada

• Camada molecular de seleção eletrônica: em diferentes concentraçõesBpy-COOHouBpy-CAASolução e tratamento térmico

• Perovskita: Rotação de lacunas específicas(1,57eV)ou1,53eV)Solução de precursor perovskita, adição de anti-solventes durante o processo(Clorobenzo ou acetato de etilo)Promover a cristalização, tratamento térmico posterior

• Camada de transporte de buraco vazio: RotaçãoEspiro-OMeTADSolução

• Preparação de eletrodos：

• Bateria única: prata vaporizada a quente(Ag)Eletrodo superior

• Bateria translúcida com bateria superior em série de quatro extremidades: deposição sequencialAu / MoO3camada tampão,INFORMAÇÃOeletrodos transparentes,AgMalha, última adiçãoMgF2Revestimento anti-reflexo

3. Bateria inferior heterogênea de silício(Para estruturas seriais de quatro extremidades)

• Gravação de wafer de silício forma textura pirâmide e limpeza padrão

• AtravésPECVDDeposição de películas de silício de múltiplas camadas como camadas de passivação e dopagem

• pulverizaçãoITOCoger e, finalmente, vaporizar.Ageletrodos

Avaliação de estabilidade

• Estabilidade de armazenamentoComponentes não encapsulados colocados no ar ambiente(30%Umidade relativa, temperatura ambiente)Monitoramento do desempenho durante o ciclo de dia e noite

• Estabilidade operacionalRastreamento do ponto de potência máxima sob luz solar constante(Rastreamento MPP)

• Estabilidade estrutural: envelhecimento da película de perovskite no ar ambiente, realizada regularmenteXRDMedição e rastreamento de mudanças na estrutura cristalina

Figura 1c

Métodos de caracterização e resultados

Divisão de energia quasi-fermiana(QFLS) /Tensão de circuito aberto implícita(iVOC)

QFLSMedir eletrônicos no dispositivo-O grau máximo de separação energética alcançada sob a luz,QFLSÉ baseado na produtividade quântica fotogênica.(PLQY)Os resultados da medição são calculados e podem ser considerados como a tensão máxima de circuito aberto em teoria(iVOC)Reflete diretamente o tamanho da perda composta não radiológica. Os resultados mostram queBpy-CAACapaz de minimizar eficazmente a perda composta não-radiante da interface.

GráficoO S36bComparação de componentes semi-pilha em diferentes substratosQFLSValor. Em comparação com o perovskite puro1,226 eV，Bpy-COOH/amostras de perovskitaQFLSSignificativamente reduzido para1.201 eVeBpy-CAA/As amostras de perovskita são mostradas como1,216 eVIsso mostraBpy-CAAAjuda a melhorar o alinhamento do nível de energia e a passivar defeitos de superfície do perovskite, minimizando assim a perda de compostos não radiantes da interface.

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Eficiência de conversão de potência(PCE)com Densidade de corrente-Tensão(J-V)Curvas

J-VCurvas que fornecem eficiência de conversão de potência(PCE)Tensão de circuito aberto(Voc)Densidade de corrente de curto circuito(Jsc)e fatores de preenchimento(FF)Parâmetros-chave. Equipe de Pesquisa UsaEnlitech SS-XSimulador de luz solarSimulação.AM 1.5G (100 mW/cm)²)Medição em condições de luz solar.

1. Células solares de perovskite transparentes superiores(ST-PSC)：Em usoBpy-CAATratadodo SnO2Na interface, foi realizado. 20.60%doPCE，Vocpara1,209 V，Jscpara20,85 mA/cm²，FFpara81.73%- É.

2. Enlace de silício inferior(SHJ)Células solares:Passando pelo topoST-PSCDepois da filtragem, ele contribuiu. 10.23%doPCE- É.

3. Geral4T-P / STSCs：Suma de eficiência alcançada pela bateria superior e inferior 30.83%- É.

Gráfico7bMostra uso ou não usoBpy-COOHeBpy-CAATratadodo SnO2doST-PSCsdoJ-VCurvas. Este gráfico mostra intuitivamenteBpy-CAAMelhoria significativa no desempenho dos componentes após o tratamento.

Gráfico7c: mostrouST-PSCsemFTOIluminação lateralJ-Vcurva e depoisST-PSCsCélulas solares de silício filtradasJ-VCurvas. Apresenta o desempenho de cada sub-bateria na bateria serial e, finalmente, resume30.83%TotalPCE- É.

Tabela 1Lista detalhada do passado ou não passadoESMLsTratadodo SnO2Brechas de banda larga de melhor desempenhoST-PSCse pilhas4T-P / STSCsParâmetros fotovoltaicos

Eficiência quântica externa(EQE)

EQEMediu a eficiência das células solares na conversão de fótons entrantes em correntes eletrônicas em diferentes comprimentos de onda, cujo valor integral deve ser associado aJ-VCurvas medidasJscOs valores correspondem. Equipe de Pesquisa UsaEnlitech QE-RSistema de medição de eficiência quântica,E a intensidade da luz de cada comprimento de onda é calibrada com células solares de referência de silício monocristalino padrão.

PesquisaEQEOs resultados confirmaram.ST-PSCeSHJUtilização eficaz das sub-baterias do espectro solar e integraçãoJscValor eJ-VOs resultados das medições são consistentes.

GráficoO S40b: mostrouST-PSCBateria superior e depoisST-PSCBateria de fundo de silício filtradaEQEEspectro. A bateria superior absorve principalmente a luz de comprimento de onda curto, enquanto a bateria inferior utiliza efetivamente a luz de comprimento de onda longo transmitida, o que explica sua alta eficiência em série. Seus pontosJscOs valores são respectivamente20,59 mA/cm²(Topo)e18,47 mA/cm²(fundo)

Analisar a luminosidade do tempo(TRPL)

TRPLPara medição de veículos fotogênicos (eletrônicos)-Para a vida útil de um par de buraco vazio), o curtimento da vida útil do transportador geralmente indica uma extração de carga mais eficiente ou uma composição mais rápida.

Bpy-CAAAs películas de perovskite tratadas têm uma vida útil de portador mais curta, indicando uma maior capacidade de extração de eletrônicos.

GráficoS35: mostra a deposição no vidro,FTO / Bpy-COOHeFTO/Bpy-CAA (em inglês)Filme de perovskite sobre o substratoTRPLcurva de decadência. Essa tendência provaBpy-CAAEfetivamente melhora a capacidade de extração e transmissão de eletrônicos.

Espectro de reflexão transitório(Espectroscopia TR)

TREspectro para pesquisaESMLs/Dinâmica do veículo da interface do perovskite, especialmente na profundidade de detecção (aproximadamente20 nmVida do transportador interno. resultados eTRPLConsistente, tudo provado.Bpy-CAAexcelentes propriedades de extração eletrônica.

Gráfico5a-cDemonstra a deposição em diferentes substratos (FTO / Bpy-COOHeFTO/Bpy-CAA (em inglês)Perovskite em diferentes comprimentos de onda de detecção e bombeamento)-Diagrama pseudo-colorido bidimensional que detecta mudanças na refletidão durante o tempo de atraso. MostrarBpy-CAAPossui melhores propriedades de extração eletrônica.

Mort-Shotkee(Mott-Schottky)Gráfico

Potenciais incorporados para o estudo da força motriz e dos dispositivos de veículos fotobióticos(WBI)A pesquisa descobriu,Bpy-CAAdo dispositivoVbiOs valores mais elevados indicam que o alinhamento da banda é melhorado, favorecendo a separação do veículo fotogênico.

Gráfico5dDemonstra que o alinhamento das bandas é melhorado, ajudando a inibir a composição não-radiante e melhorandoVoc- É.

Espectro condutor térmico(TAS)Densidade com armadilha(tDOS)

TASUtilizado para caracterizar a densidade de defeitos superficiais e profundos. Os resultados mostraram,Bpy-CAADispositivo em nível de energia leve (aproximadamente0,4 eV(local)do tDOSdiminuição significativa, devido aBpy-CAAEfeito de passivação eficaz da unidade de passivação de álcali de Lewis.

Gráfico5eMostrando o dispositivodo tDOSEvolução.Bpy-CAADispositivo em nível de energia levedo tDOSRedução significativa, indicando que defeitos como o espaço vazio do iodeto são efetivamente inibidos

Espectro de Impedência Electroquímica(EIS)

EISPara avaliaçãoPSCsCaracterísticas de transferência de carga, especialmente a resistência composta de carga(Rrec)A pesquisa descobriu,Bpy-CAAdo dispositivoRrecO valor é significativamente maior, indicandoBpy-CAA/Perdas compostas não radiantes na interface do perovskite são reduzidas.

Gráfico5f: Fortemente provadoBpy-CAA/Redução da perda composta não-radiante na interface do perovskite.

Função(Função de trabalho, WF)Alteração

WFAs medições revelamESMLsComo afetarFTOFunção de função do substrato, afetando assim a eficiência da extração de eletrônicos. Pesquisas demonstram,Bpy-CAASignificativamente diminuído.FTOfunção de função e apresentar mais uniformeWFDistribuição, que facilita a extração de eletrônicos/Transferência. A descoberta principal é As propriedades eletrônicas das moléculas são mais decisivas para a extração eletrônica eficiente do que a orientação dipolar- É.

Gráfico2a: Mostrando nuaFTOTratados com diferentes materiaisFTOdistribuição das funções. Pode-se ver,Bpy-CAAApós o tratamentoFTOA função é baixa e distribuída de forma mais uniforme.

Avaliação de estabilidade(Estabilidade de armazenamento e operação)

Estudos abrangentes de estabilidade do dispositivo, incluindo testes de estabilidade de armazenamento no ar ambiente e rastreamento contínuo do ponto máximo de potência(Rastreamento MPP)Os resultados mostraram,Bpy-CAAO dispositivo demonstra estabilidade a longo prazo e estabilidade operacional.

Gráfico6dMostra não embaladoPSCsResultados do teste de estabilidade de armazenamento a longo prazo no ar ambiente.Bpy-CAAArmazenamento do dispositivo no ar 1000 Mantenha o início depois de uma hora.PCEdo91.2%eBpy-COOHDispositivo apenas mantido63.4%- É.

GráficoS43Mostrar o pacoteST-PSCse sem embalagemSino ar ambiente (cerca de30%umidade relativa, temperatura ambiente)MPPresultados do rastreamento.Bpy-CAADispositivo em 500 Mantenha o início depois de uma hora.PCEdo95%acima.

XRadiação(XRD)

XRDUtilizado para monitorar a evolução de cristalização de películas de perovskite e a estabilidade estrutural durante o envelhecimento. Os resultados mostram queBpy-CAAReduz efetivamente a degradação da película de perovskite e mantém uma melhor integridade da estrutura cristalina.

Gráfico6a, b: rastreado em temperatura ambiente30%Envelhecimento sob umidade relativaBpy-COOHeBpy-CAAEvolução da cristalização do perovskiteXRDO padrão. Em comparação,Bpy-CAAApós a exposição à umidade e ao oxigênio da amostra, a intensidade do cristal diminuiu apenas ligeiramente, destacando seu efeito eficaz de alívio.

Outras características

1. Resonância magnética nuclear e análise de espectroscopia de massa(RMN e MS)：Caracterização de compostos sintéticosBpy-CAApureza e precisão estruturais,RMN 1HEspectro8,25 ppmAs características próximas da faixa de ressonância de vinilo são consistentes com a literatura.(GráficoS6)

2. Análise térmica(TGA)：Avaliação da estabilidade térmica do material,Bpy-CAAeBpy-COOHTemperatura de decomposição aproximadamente200°Ce320°CMuito mais alto do quePSCsTemperatura de operação típica85°C- É.(GráficoS8)

3. ultravioleta-Penetração da luz visível(UV-Vis)：AnáliseESMLsPropriedades ópticas, doisESMLsAbsorção negligente e correta na área de luz visívelFTOA penetração óptica do substrato não afetou significativamente.(GráficoS11)

4. Medição do ângulo de contato(Ângulo de contato)：AvaliaçãoESMLsUmidificação do substrato após o tratamento com a solução de precursor de perovskite,Bpy-CAAMostrar ângulo de contato maior26.2°Ajuda a formar grãos maiores.(Gráfico2d, e)

5. Microscópio de força atômica(AFM)：Análise da rugosidade da superfície do filme eESMLsEspessura, após o tratamentoFTOdoRMSA redução da rugosidade indica uma melhoria do contato da interface.(GráficoS13)

6. Cálculo teórico da função de densidade(DFT)：Simulação do potencial eletrostático e do momento dipolar molecular, exibição de cálculoBpy-CAATem maior torque dipolar e intensidade de adsorção significativamente melhorada.(Gráfico2h)

7. Conversão Fourier do espectro infravermelho(FTIR)：InvestigaçãoESMLsinteração com perovskite,Bpy-CAAmédioC = OeC = NDeslocamento de frequência de alongamento confirmadoPb2+com a piridinaNInterações de localização atômica.(GráficoS20)

8. XEspectroscopia fotoeletrônica de raios(XPS)：Pesquisa de perovskita eESMLsinteração eletrônica,Pb 4fpico para cima combinando poder de movimento indicaPbAumento da oxidação eBpy-CAADeslocamento é mais evidente.(GráficoS21)

9. Microscópio eletrônico de varredura(SEM)：Observar as características morfológicas do perovskite,FTO/Bpy-CAA (em inglês)A película fina mostra uniformidade e cobertura completa, com grãos maiores e superfícies lisas.(Gráfico3c, d)

conclusão

A equipe de pesquisa se concentra no desenvolvimento de uma nova camada molecular eletrônica seletiva bifuncional (ESMLspara melhorar as células solares de perovskite (PSCsEficiência e estabilidade

Descobertas de pesquisa básica e design de materiais

•Romper o conhecimento tradicionalO estudo descobriu que a regulação de óxidos condutores transparentes (TCOQuando a função,A falta de modificação de superfície eletrônica é muito mais forte do que a direção de dipólo de interface convencional- É.

•NovoESMLs Bpy-CAADesenvolvimento: Através da dupla função de dipiridinaESMLs（Bpy-COOHOs grupos carboxílicos são substituídos porGrupos ciano acrílicos com maior capacidade de absorção de eletrônicos (Bpy-CAA）O sucesso aumentou seu desempenho.

•Características duplas：Bpy-CAAAo mesmo tempo, com grupos carboxílicos e átomos de nitrogênio de álcali de Louis quelados, podem ser ancorados firmemente emTCOSubstratos e eficazmente passivar defeitos de perovskite.

Bpy-CAAPrincipais vantagens e mecanismos:

•Reforço da regulação da função：Bpy-CAADoping de óxido de estanho com flúor (FTOfunção a partir de4,74 eVBaixar mais para4,48 eVdistribuição mais uniforme da função (a mudança de superfície0,05 eV), demonstrando o papel dominante do fenômeno da falta de superfície eletrônica.

•Excelente adsorção e qualidade do filme：Bpy-CAAparaFTOA força de adsorção da superfície aumentou significativamente (valor de energia de adsorção mais negativo, até5,22 eVpara7,60 eV）[1, 13, S18]e diminuirFTORugosidade da superfície[14, S19]promove a deposição de películas de perovskite de alta qualidade eCrescimento de grãos(Ángulo de contacto26.2°).

•Passivação eficiente de defeitos e transferência de carga：Bpy-CAAAtravés ePbI2O efeito de posicionamento forte, eficazmente passiva defeitos de interface (como espaços vazios de iodeto), reduzindo defeitos profundos e o conteúdo de chumbo metálico. A análise eletrônica e espectral confirma queBpy-CAAMelhorou significativamente a eficiência de extração e transmissão de eletrônicos, inibiu a perda composta não-radiológica e melhorou o alinhamento da banda de energia (potenciais incorporados mais elevados, até1,088 V).

Perovskite inovação de desempenho de células solares:

•SinglePSCEficiência：Bpy-CAAO dispositivo foi implementado.Até23.98%Eficiência de conversão de energia (PCE）Para além.Bpy-COOHDispositivos (23.20%). É orgânico.ESMLsAplicar an-i-p PSCsuma das eficiências relatadas.

•Desempenho do dispositivo de grande área: em3 cm²Dispositivos de grande áreano meio,Bpy-CAAO dispositivo ainda é mantido.21.63%doPCESim, sim.3 cm²n-i-p PSCsUtilização orgânicaESMLseficiência relatada.

•comdo SnO2CompostoESLIntegração: SeráBpy-CAAIntegração como camada de interfaceSnO2 ouPerovskite em contato, únicoPSCdoPCEAtingido26.00%- É.

•Perovskita de quatro extremidades/Células solares de silício (4T-P / STSCs）Esta estratégia é aplicada ainda mais4T-P / STSCsRealizado.30.83%Eficiênciarelatado até agora.4T-P / STSCsEntre as altas eficiências.

Aumento da estabilidade do dispositivo:

• Bpy-CAAO dispositivo demonstra estabilidade a longo prazo no ar ambiente (umidade relativa de aproximadamente30%(em armazenamento)1000Após uma hora, mantenha o seu início.PCEdo91.2%Muito melhor do queBpy-COOHdo dispositivo63.4%Isto é atribuído aBpy-CAAForte adsorção à interface do perovskite em presença de água e oxigênio[30, S38]Reduz efetivamente a decomposição da estrutura cristalina do perovskite.

文献参考自Journal of the American Chemical Society_DOI: 10.1021/jacs.5c07357

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