Antecedentes e desafios da pesquisa

Perovskita/As células solares de superposição de silício podem ultrapassar os limites de eficiência das células de ligação única, tornando-se um candidato importante para a próxima geração de tecnologia fotovoltaica. Especialmente em substratos de silício de textura industrial, esta tecnologia mostra excelente capacidade de captura de luz e eficiência de custo, com boas perspectivas de industrialização. No entanto, sua comercialização ainda enfrenta importantes gargalos tecnológicos:

Desafio principal 1: Problemas de estabilidade do filme no processo

• Mistura de duas etapas de evaporação-O método de deposição em solução, embora possa alcançar a ligação congêntrica com o fundo do silício texturizado, o processo precisa ser realizado a altas temperaturas (~ 150 ° CAlta umidade (~ 40% RHRefrigeração ao ar no ambiente

• Esta condição leva a uma grave decomposição da superfície da película de perovskite devido à dupla ação da umidade e da alta temperatura.

Desafio principal 2:PbI₂Efeitos negativos dos subprodutos

• Excesso resultante da decomposição da películaPbI₂Formação de canais de migração de íons para acelerar a deterioração do dispositivo

• Mais grave é o desencadeamento do composto do portador da interface, causando perda de eficiência do dispositivo e deterioração da estabilidade.

Estes problemas de estabilidade do processo e a queda do desempenho que provocam,Seriamente limitado perovskite/A estabilidade e a durabilidade a longo prazo das baterias de silício se tornam um obstáculo técnico crítico para a produção industrial em massa- É.

Equipe de pesquisa e resultados importantes

Este estudo foiProf. Tan Haiyen e Prof. Kung Wenqi, do Laboratório Nacional de Microestruturas de Estado Sólido da Universidade de NanjingLiderança conjunta, publicada em periódicos“Cartas ACS Energia"A equipe de pesquisa resolveu com sucesso o perovskite/Os principais desafios do processo de industrialização de pilhas de silício:A decomposição da película fina causada pela cozimento de ar úmido e a alta temperatura no método de sedimentação de duas etapasPbI₂Problemas de subprodutos.

Figura 4d

A principal inovação da equipa éIntroduçãoDMPESICamada de embalagem interna hidrofóbica. Efetivamente inibe a descomposição da superfície do perovskite durante o processo de refresco, ao mesmo tempo que reduz significativamente a taxa de composição não-radiante, otimiza a qualidade do crescimento do cristal e, por sua vez, melhora a tensão de circuito aberto e o fator de enchimento do dispositivo. Isto seráDMPESIEvaporação misturada aplicada com sucesso em substratos texturizados-O processo de deposição em solução expande significativamente o campo de aplicação da molécula.

Perovskite de textura industrial preparado pela equipe/Bateria de silício atingido30.49%Eficiência de conversãoEm testes de estabilidade a longo prazo,1800Eficiência inicial mantida após o teste de rastreamento do ponto de potência máximo por hora84%，723Eficiência inicial após horas de teste térmico úmido80%Estes dados ultrapassam o desempenho do grupo de controle e demonstram o efeito significativo deste método na melhoria da estabilidade e durabilidade do dispositivo. Esta tecnologia pode ser aplicada à preparação de ambientes de alta umidade, estabelecendo uma base sólida para a produção industrial em massa de baixo custo.

Passos e processos experimentais

Figura 1a

Preparação de perovskita de alta eficiência e estável com estratégias sofisticadas de deposição de película fina e aditivos/Células solares de silício. Aqui estão os principais passos experimentais:

· Preparação do substrato e construção da bateria subjacente: Enlace heterogênero de silício com textura industrial(SHJ)Bateria de fundo como substrato. Para preparar a bateria, primeiro4Wafer de silício de polegadas para corte a laser2,5 × 2,5 cm2tamanho, em seguida.200°CIncendio para reparar danos por pulverização. Em seguida, pulverize no substrato de silício.20Nano espessura de óxido de indio-estaño(ITO)como uma camada composta.

· Deposição em duas etapas de perovskita: a preparação da película de perovskite foi adotadaMistura de duas etapas de evaporação-Método de deposição em solução- É.

ou Formação de esqueleto inorgânicoEm primeiro lugar, por evaporação térmica, evaporação conjunta no substratoPbI2eCsBrformação de aproximadamente540Camada esquelética inorgânica de nano espessura.

ou Rotação de solução salina orgânica eDMPESIAdicionarEm seguida, conterá precursores de perovskita(ComoFA0.8Cs0.2Pb (I0.8Br0.2))soluções salinas orgânicas, eUm estabilizador essencial——DMPESIgirar sobre a película inorgânica formada. EsteDMPESIAditivos desempenham um papel fundamental na soluçãoPbI2A reação forma uma camada interna hidrofóbica.

ou Pré-cozimento e cozimento a ar:O filme após a rotação será primeiro90°CTratamento pré-cozido no ambiente de nitrogênio. Em seguida, realiza as etapas críticas de recolha de ar, em cerca de150°CPacto45%Umidade relativa (ou em testes de alta umidade)60%Quemadura em ambiente de umidade relativa)20Um minuto. Este passo éDMPESIA chave para a formação de uma camada protetora que inibe a descomposição do perovskite.

· Deposição de camadas superiores e eletrodosApós a preparação da camada de perovskite, a camada de transporte de eletrônicos e os eletrodos serão depositados sequencialmente.

ou Para as células solares de perovskite de ligação única, primeiro a evaporação térmica20do Nano.C60Película fina, depois depositada através da camada atômica(ALD) 15do Nano.do SnO2- É.

ou Para as células solares, noC60Depois da camada, é a pulverização.50do Nano.ITO- É.

ou Finalmente, a prata evapora a calor.(Ag)Como eletrodo superior (bateria de ligação única é150Nano, pilhas de bateria para400nanométricos).

· Preparação anti-reflexo(Para pilhas de baterias): para melhorar ainda mais a capacidade de captura de luz da bateria em camada, que finalmente se evapora térmicamente na sua superfície100do Nano.MgF₂como uma camada anti-reflexo.

Métodos de caracterização e resultados

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

Avaliar o grau de perda composta não radiante e o efeito de passivação de defeitos em películas de perovskite,QFLSAumentar a tensão de circuito aberto do dispositivo de conexão diretaCOVMelhorias. Adopçãode 405 nmFonte de excitação laser, sistema de medição de bola integral importado por fibra óptica, intensidade do laser ajustada para1 SolDeterminação da produtividade quântica fotoluminescente em condições equivalentes.

DMPESIO tratamento melhora significativamente a estrutura de todas as camadasQFLSValoresO material mineral perovskita é o principalCOVFonte da perda após o processamentoMelhorias evidentes- É.DMPESIEfetivamente inibe a decomposição da superfície durante o processo de cozimento do ar,Redução do composto não radiológico da interfacetornando o perovskite/ C60na interface.COVAs perdas são reduzidas de acordo. Através de uma película de perovskite puro,HTL ouPerovskita eHTL ouPerovskita/ ETLComparação sistemática de três estruturas de pilhaDMPESIO processamento demonstra uma excelente capacidade de passivação de defeitos em todas as interfaces.

Figura 3dMostrar extraídos em diferentes estruturas de pilhaQFLSValores comparados.DMPESIGrupo de tratamento em perovskite puro,HTL ouPerovskita eHTL ouPerovskita/ ETLEm todas as camadas da interfaceQFLSTodos os valores são significativamente superiores ao grupo de controle, mostrando intuitivamente seu efeito na inibição de perdas compostas não-radiantes, explicando fortemente o dispositivoCOVrazões fundamentais da elevação.

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Produção quântica de luminosidade eletrônica(EQEEL)

Análise adicional do composto não-radiacional do dispositivo e quantificação da divisão de nível de energia quasi-fermi em células solares simples. UtilizaçãoKeithley 2450A unidade de medição de fonte de tensão fornece uma densidade de corrente constante e mede os fótons emitidos em todas as direções pelo dispositivo de medição de esferas integrais e espectrômetros de calibração.

DMPESIO processamento melhora significativamente o desempenho de rotação elétrica: equivalente a1 SolEm condições de densidade de corrente analógica,DMPESIDispositivos de processamentoEQEELDa0.430%significativamente superior ao grupo de controle.0.145%Correspondente.COVAs perdas são respectivamente142 mVe170 mV，DMPESIGrupo de processamentoCOVRedução das perdas28 mVEste resultado mostraDMPESIO tratamento melhora efetivamente a tensão de circuito aberto do dispositivo através da inibição da descomposição da superfície e da otimização do processo de cristalização, alcançando uma qualidade superior do perovskite e um menor composto não radiante.

Figura 3eO grupo de controle eDMPESIDispositivos de perovskite do grupo de tratamentoELComparação espectral.DMPESIGrupo de processamentoELForça significativamente superior ao grupo de controle, fortemente provadoDMPESIA inibição eficaz do composto não-radiante permite que mais portadores emitam luz na forma de composto de radiação, mostrando excelente qualidade do portador.

Densidade de corrente-Tensão(J-V)Medição da curva

Avaliação de parâmetros de desempenho fotovoltaico de células solares para uso em caixas de luvas de carregamento de nitrogênioKeithley 2400Medição, uso de pilhas de bateriaKeithley 2450Unidade de medição de fonte de tensão, emEnliTech SS-X 3ASimulador de luz solarMedidas sob irradiação no ar.

DMPESIO processamento melhora significativamente o desempenho do dispositivoBateria de perovskite única com eficiência óptima21.2%（COV = 1,227 V，JSC = 21,0 mA cm^-2，FF = 82,4%Somente o grupo de controle20%Quase nenhuma digitalização.J-Vfenômeno de atraso.

Perovskite de textura industrial/Bateria de silício inovadora30.49%Eficiência do laboratório, obtenção29.8%Eficiência de certificaçãocomparado ao grupo de controle.29.05%Maior eficiência absoluta do que1%，COVelevação40 mV，FFelevação perto2%A análise estatística mostraDMPESIEficiência média da bateria de superposição modificada melhorada em relação ao grupo de controle1.2%- É.

Figura 3aMostrar as melhores baterias de perovskite de ligação únicaJ-VComparação de curvas.DMPESIA forma da curva do dispositivo do grupo de processamento é melhor e o atraso de varredura positivo e contrário é significativamente reduzido, confirmando a estabilidade do desempenho e a eficiência melhoradas.

Figura 4dApresentar a melhor bateria de superposiçãoJ-VEstatísticas de distribuição de curvas e eficiência.DMPESICurvas do grupo de processamento são claramente melhores do que os grupos de controle, especialmente em termos de tensão de circuito aberto e fatores de preenchimento, as estatísticas do gráfico incorporado são mais30A distribuição de eficiência de um dispositivo mostra uma eficiência média significativamente maior do grupo de processamento e uma distribuição de dados mais concentrada.

Eficiência quântica externa(EQE)

Medir os fótons da bateria em diferentes comprimentos de onda-Eficiência de conversão eletrônica e cálculo da densidade de corrente óptica integrada. Bateria única no ar com amplificador de fase bloqueadoQEMedição do sistema, bateria superposta com comprimento de ondade 850 nm(bateria de fundo) ede 460 nm(Bateria superior) Brilho elevadoLEDMedição de iluminação com desvio de luz.

DMPESIMelhorar as características de resposta espectral: em uma única bateria perovskita,DMPESIDensidade de corrente óptica integrada no grupo de processamento21,30 mA cm^-2Melhor do que o grupo de controle.21,19 mA cm^-2. Baterias superpostas de perovskite superior comSHJA densidade de corrente integrada da bateria inferior é20.67e20,25 mA cm^-2A densidade de corrente ligeiramente maior da sub-bateria superior é projetada para introduzir estrategicamente desajuste de corrente, melhorando o desempenho do dispositivo de superposição e a estabilidade operacional.

Sobre o substrato texturizado,DMPESIDispositivos de processamento em550 nmAs bandas abaixo mostram uma resposta geral maior, atribuída à descomposição da superfície.PbI₂Absorção de parasitas reduzida- É.

Figura 3cBateria de perovskite únicaEQEComparação de curvas.DMPESIOs grupos de processamento apresentaram melhorias na resposta espectral, especialmente em áreas de comprimentos de onda curtos, com maiorJSCOs valores correspondem.

Figura 4fDMPESITratamento de dispositivos de superposiçãoEQECurva que contém a parte superior do perovskite em resposta à bateria inferior do silício. Duas bateriasEQEAs curvas sobrepõem-se bem e apresentam excelente desempenho nos intervalos de absorção respectivos, confirmando uma excelente distribuição espectral e correspondência de corrente.

Rastreamento do ponto de potência máxima(MPPT) /Estabilidade operacional(ISOS-L-1)

Avaliar a estabilidade operacional a longo prazo do dispositivo sob luz solar analógica. no ar ambiente)30-50%Uso multicolorido em umidade relativa)LEDSimulador fornecidoAM1.5G (em inglês)Iluminação padrão (100 mW cm^-2Temperatura de funcionamento do dispositivo35°C(auto-aquecimento), temperatura ambiente25°CTeste de embalagem sem refrigeração ativa.

DMPESIO processamento melhora significativamente a estabilidade operacional a longo prazo: porDMPESIDispositivos de superposição modificados perto1800HorasMPPTEficiência inicial após o teste84%Dispositivos do grupo de controle são apenas890Degradação rápida após uma hora até a eficiência inicial75%demonstrar claras diferenças de desempenho.

Figura 4gMostrar dispositivos de empilhamento de embalagem emAM1.5G (em inglês)Espectro completo simulado à luz solarMPPRastreamento dos resultados.DMPESIA eficiência do grupo de processamento diminui significativamente mais lentamente ao longo do tempo do que a do grupo de controle, demonstrando fortemente seu desempenho de estabilidade operacional.

Teste de calor úmido(Calor úmido) /Estabilidade a longo prazo(ISOS-D-3)

Avaliar a estabilidade a longo prazo do dispositivo em ambientes de alta temperatura e umidade. Mantenha o dispositivo de empilhamento de embalagem constante em uma caixa de teste ambiental85°Ctemperatura e85%Umidade relativa superior800horas, medição regular do desempenho (aproximadamente30minutos após o resfriamento).

DMPESITratamento demonstra excelente resistência ao calor úmido: porDMPESIDispositivos de superposição modificados em723Eficiência inicial mantida após horas de teste térmico úmido80%demonstração de durabilidade destacada. Dispositivos de controle em334Degradação ao desempenho inicial após horas67%MostrarDMPESIEfeito protetor em ambientes difíceis.

Figura 4hMostrar o dispositivo de embalagem em85°C/85% RHResultados de testes de estabilidade a longo prazo em condições escuras.DMPESIO grupo de tratamento mostrou uma tendência mais lenta de decadência da eficiência em ambientes de alta umidade e calor, confirmando novamente seu excelente desempenho de durabilidade.

Outras características

XDifração de raios(XRD)

Caracterizar a composição de fase e a qualidade cristalina do perovskite.DMPESIConcentração acima3 mg/mlTempo em7°Formação local1D DMPESPbI₃Fase, a película do grupo de tratamento sob a exposição prolongada ao fogo e à alta umidadePbI₂A produção foi insignificante e o grupo de controle aumentou significativamente.(Figura 1b)

Microscópio eletrônico de varredura(SEM)

Observe as mudanças na forma da película fina e no tamanho do grão.DMPESIAs películas tratadas se decomponem apenas ligeiramente durante o processo de cozimento e são acompanhadas por um crescimento significativo do grão, apresentando uma forma mais uniforme e grãos maiores no substrato texturizado, enquanto o grupo de controle sofre degradação superficial grave.(Figura 2a)

XEspectroscopia fotoeletrônica de raios(XPS)

confirmarDMPESIIntrodução molecular ePb-IReconstrução química ambiental.S 2pEspectro166,0 eVConfirmação do sinalDMPESIintrodução,Pb 4feEu 3DO deslocamento de combinação de nível de energia do núcleo é atribuído a1DEstruturaPb-IO comprimento da chave aumenta.(Figura 1d.e)

Espectro de massa iônico secundário do tempo de voo(TOF-SIMS)

InvestigaçãoDMPESIdistribuição espacial dentro do filme. Os aditivos são principalmente enriquecidos na superfície da película fina e na área da interface inferior, e a acumulação no corpo pode ser negligenciada, atribuída ao efeito de resistência espacial da estrutura do anel conjugado dos aditivos aromáticos.(Figura 1f)

Distinção do tempo da luminosidade(TRPL)

A medição da vida útil do veículo avalia a taxa composta não radiante.DMPESIA vida útil do transportador de película fina é significativamente prolongada até1045.0 ns(Grupo de controle515,8 nsEvidenciou-se eficaz na redução da taxa de composição não radiológica.(F)figura 2f)

ultravioleta-Visível(UV-vis)Espectro de absorção

Medir as propriedades de absorção da película e as lacunas ópticas.TaucMostrar gráficoDMPESIA introdução não causou mudanças significativas no intervalo de banda da película fina (Por exemplo≈1,67 eV).(Figura 2d)

Medição do ângulo de contato

verificaçãoDMPESIAumento da hidrofobia da película após o tratamento. Os filmes tratados apresentam um desempenho hidrofóbico melhorado tanto na fase de pré-cozimento quanto na fase de cozimento ao ar.(Figura S9)

Saída de potência estável(SPO)

A potência estável do dispositivo de medição durante longos períodos de funcionamento contínuo.DMPESIImplementação de dispositivos de superposição de processamento30.3%Saída de potência estável.(Figura 4e)

fotografia/Imagens digitais

Visualizar a aparência física do dispositivo e a degradação da exposição à umidade.80% RHEm testeDMPESIO grupo de processamento mantém a integridade da cor original a longo prazo, o grupo de controle48Pontos de decomposição amarelos aparentes e grande área de degradação ocorrem dentro de uma hora.(Figura 2g)

conclusão

A equipa de pesquisa introduziuDMPESIAditivos hidrofóbicosResolvido com sucesso o perovskite/O principal gargalo tecnológico do processo de industrialização de pilhas de silício, alcançando resultados inovadores.

DMPESIMoléculas ePbI₂Formação da reação1D DMPESPbI₃O perovskite, na interface, forma uma camada de encapsulamento protetor, inibindo eficazmente a decomposição da película durante o processo de cozimento ao ar. Este mecanismo promove a formação de grãos maiores, reduz a densidade de defeito e melhora significativamente a vida útil do veículo (1045.0 ns versus 515.8 nse melhorar a estabilidade do filme em ambientes de alta temperatura e umidade.

O desempenho do dispositivo alcançou um avanço significativoEficiência da bateria de perovskite única21.2%Quase nada.J-Vfenômeno de atraso.Perovskite de textura industrial/Bateria de silício30.49%Registro de eficiência de laboratório, obtenção29.8%Eficiência de certificaçãoMaior eficiência absoluta do grupo de controle1%，COVelevação40 mV，FFelevação perto2%- É.

Desempenho de estabilidade a longo prazo: Dispositivos em1800HorasMPPTEficiência inicial após o teste84%，723Horas de manutenção após o teste térmico úmido80%Eficiência muito superior ao desempenho do grupo de controle. Sobre o substrato texturizado,DMPESIDispositivos de processamento respondem melhor ao espectro em áreas de comprimentos de onda curtos, confirmadoPbI₂A absorção de parasitas é eficazmente reduzida.

Este estudo para a fabricação em massa de perovskite de baixo custo para a industrialização/As células solares de silício oferecem um caminho tecnológico viável.Combinando eficiência recorde com estabilidade operacional a longo prazo, estabelece uma base sólida para o processo de comercialização de baterias em superposição- É.

Referência: ACS Energy Letters_DOI: 10.1021/acsenergylett.5c01010

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