Realizações e perspectivas de pesquisa

porEquipe de professores de pintura Wei da Universidade de ChinatownLiderança, publicado em Top MagazineComunicações Natureza"O tema do artigo é“Membrana de polímero ultrafina para melhoria da extração de buracos e bloqueio de íons em células solares de perovskite“.

Para o alto desempenho atualn-i-pCélulas solares de perovskiteLonga vida útil limitadaO problema, que surge principalmente do perovskite com a camada de transmissão de buracos elétricos dopados (HTL(em ligações heterogêneas)Difusão iônicaIsso levará aHTLA redução da condutividade elétrica e a perda de componentes de perovskite. Para resolver esse desafio fundamental, a equipe de professores WeiDesenvolvido e estudado um ultra-fino (cerca de7do Nano)pCamada Intermédia de Polímero (D18）- É.

•D18A camada intermediária ultrafina inibe eficazmente a difusão de íons de lítio, metilamônio, metálio e iodo entre camadas.- É.

• D18Melhorou o perovskite/ HTLDisposição de banda de energia na interface para uma extração mais eficiente de buracos elétricos- É.

•As células solares de perovskite com base neste design inovadorAté26.39%(Certificado como26.17%Eficiência de conversão de potência(pequenos dispositivos) e25.02%Eficiência de dispositivos de grande área- É.

•O dispositivo funciona continuamente com o rastreamento do ponto de potência máximo 1100 horas depois, aindaMantenha a eficiência inicial.95.4%demonstraram um aumento significativo da estabilidade.

•AtravésQFLSAnálise (Divisão de Energia Quasi-Fermi)Confirmado.COVO aumento não é atribuído apenas à redução dos compostos não radiológicos, mas tambémD18Otimização da camada média para o arranjo das bandas energéticas.

Equipe de Pesquisa

A equipe de pesquisa vem principalmente deUniversidade Chinesa，Exposição WeieXie LiqiangOs professores participaram deste estudo.Comunicação Autorcom a Universidade da Cidade de Hong Kong.O Alex. K.-Y. Jen (em inglês)Pesquisadores como professores colaboram.

Antecedentes da pesquisa

No campo das células solares de perovskite, especialmente em alta eficiêncian-i-pEm termos estruturais, há dificuldades e desafios importantes:

•Vida útil limitada: Eficienten-i-pCélulas solares de perovskite, embora tenham energia eficiente,A vida útil é relativamente limitada.Bem, melhor.p-i-nBateria estável.

•Perovskita e camadas de transferência de buracos elétricos (HTLDifusão de íons entre, levando aHTLCondutividade diminuída e perda de componentes de perovskite.

•Frequentemente utilizadoHTLmaterial Espiro-OMeTADEstrutura inflada e maior espessuraFácil de acontecer.Perda de DopingeCapacidade insuficiente de bloqueio de íons- É.

•Para melhorar a estabilidade,SubstituirEspiro-OMeTADIsso pode levar a uma diminuição significativa da eficiência.

•O próprio material perovskita possuiCaracterísticas de ligação iónica, grade mais suave, fácil migração iónicae depois corrosão.HTLe eletrodos.

•Os materiais de interface existentesDifícil equilíbrio entre inibição da interdifusão iónica e manutenção da extração de buracos elétricos de alta eficiência- É.

Solução

Para o mencionado anteriormenten-i-pDificuldades e desafios das células solares de perovskiteInserir ultra-finopCamada Intermédia de Polímero (D18）como solução central. O foco é principalmente nos seguintes aspectos:

•Construir uma camada de bloqueio de íons:利用D18Polímeros na camada de transferência de perovskite e buracos elétricos (HTLPrincipalmente.Espiro-OMeTADentre a formação de umSuperfina (aproximadamente7Nano) e membrana densa- É.D18estrutura molecular dos polímeros, especialmenteAnel fundido DTBTA força formada pela unidadeπ–πPilhaAjuda a formar uma película mais densa, o queBloquear eficazmente íons em perovskita (como lítio, metilamônio, metálio e iodo)HTLa difusão. Este efeito de bloqueio pode protegerHTLProtege-se da corrosão iônica, ao mesmo tempo que reduz a perda de componentes de perovskite, melhorando a estabilidade do dispositivo.

•Otimizar a disposição de nível de energia da interface:Além da função de bloqueio de íons,D18A camada média também foi projetada paraMelhoria do perovskite eHTLDisposição de energia entreA pesquisa descobriu,D18nível de energia com perovskite vizinho eEspiro-OMeTADHá uma melhor correspondência entre eles. Através da introduçãoD18Sim, sim.Reduza a perda de energia na interface para uma extração mais eficiente de buracos elétricos- É.

•Processo de Rotação a Calor:Para garantirD18A camada média.Densidade e cobertura uniformeA equipe de pesquisa adotouProcesso de revestimento térmicoDeposito.D18Filme. Este método pode criar um melhor contato de interface, melhorando o efeito de bloqueio de íons e a eficiência da transmissão de buracos elétricos.

•verificaçãoD18：A equipe de pesquisa demonstrou experimentalmente,D18emCapacidade de inibir a difusão de íons significativamente superior aos polímeros comumente usadosHTLmateriais, comoP3HTePTAAIsto é atribuído aD18As interações intermoleculares mais fortes permitem a formação de filmes mais densos.

Processo experimental e passos

•Preparação de materiais:

○Equipe de PesquisaSínteseComo material fundamental para a camada médiaD18Polímeros

○Preparaçãooutros materiais necessários em células solares de perovskite, como sal de estanho (parado SnO2camada de transporte de eletrônicos), iodeto de chumbo (PbI2e vários sais orgânicos (usados ​​para formar perovskite).

○Preparaçãocom concentrações diferentes.D18Solução para a posterior deposição de película fina.

•Preparação do dispositivo:

1. PrimeiroFTODeposito em substrato de vidrodo SnO2Camada de transmissão eletrônica

2. AtravésSolução em duas etapasemdo SnO2Em cima.Preparação de película de perovskitee usoOAIPassivação de superfície- É.

3. Para introduzirD18Na camada média, os pesquisadoresQuente.D18Rotação da solução sobre uma película de perovskite após a passivaçãoEles descobriram.Utilização de revestimento térmico e concentrações apropriadasD18Solução para formação densa e uniformeD18A camada média é muito importante.Eles observaram que diferentes pesos molecularesD18Existem diferenças em solubilidade e membranicidade, e finalmente escolheuO D18-M(peso molecular médio) como o principal material de interface. Eles também descobriram queD18O revestimento giratório é susceptível de reunião em uma película de perovskite fria.

4. emD18Em cima.RotaçãoEspiro-OMeTADCamada de transferência de buracos elétricos- É.

5. Ouro vaporizado ou prataElétrodos para completar a preparação de dispositivos de células solares.

•Estudo do efeito de bloqueio de íons:

• Para verificarD18Capacidade de bloqueio de íons, os pesquisadores projetaram um experimento para observar do PbBr2comFAIReação- É.

○Primeiro estão no substrato de vidro.Deposiçãodo PbBr2Filme fino- É.

○Em seguida, em partedo PbBr2Em filmeRotação em diferentes concentraçõesD18eP3HTePTAAFilme de polímerocomo comparação.

○Em seguida, nestas coberturas há diferentes materiaisdo PbBr2Em filmeRotaçãoFAISoluçãoObserve se houve mudança de cor. Observar a coberturaD18dodo PbBr2O filme estáFAIApós a rotaçãoNenhuma mudança de cor visível.MostrarD18Evita efetivamente a difusão de íons. Por outro lado, é necessária uma maior concentração.P3HTePTAApara obter um efeito de bloqueio semelhante.

○Os pesquisadores também utilizamXRadiação(XRD)A análise técnica das mudanças na estrutura cristalina dessas películas finas confirmou ainda maisD18Pode ser bloqueado em certas concentrações.do PbBr2eFAIreações entre. Eles também estudaram sob estresse térmico.D18Capacidade de bloqueio de diferentes íons.

•D18Análise das características do filme:

○UtilizaçãoMicroscópio eletrônico de varredura(SEM)Observei.D18A cobertura da superfície do perovskite, comprovada por rotação térmica, pode ser obtidauniforme e denso.D18Filme fino- É.

○UtilizaçãoMicroscópio eletrônico penetrante de alta resolução(HRTEM)Medido.D18A espessura da camada média é de aproximadamente7Nanoe observouD18Em estreito contato com o grão de perovskita e a fronteira cristalina. Também confirmaram o seguimento.EspírioDurante o processo de deposição, ultra-finaD18A camada média não será destruída.

○Através Microscópio de potencial superficial(KPFM) Análise da distribuição do potencial superficial do perovskiteD18Pode ser formado com a superfície do perovskiteContato uniforme- É.

Resultados da pesquisa e caracterização

Divisão de energia quasi-fermiana(Divisão de Nível Quasi-Fermi, QFLS)Tensão com circuito aberto(Voc)

Avaliar perdas compostas não radiológicas e compreenderD18O efeito da camada média sobre a tensão de circuito aberto.

Gráfico3DO grupo de controle eD18Medição do conjunto de dispositivosVoceQFLSum grupo de controle (Controle) eD18Tensão de circuito aberto do conjunto (COVe de acordo com a eficiência quântica fotogênica (O PLQYDivisão do nível de energia de Fermi calculada (QFLS).D18equipamento do grupoQFLSO valor é maior do que o grupo de controle.20 megavoltsIsso eMedido.COVMelhorou.33 mV Correspondem. Isso indica queCOVO aumento não é atribuído apenas à redução das perdas compostas não radiológicas, mas também àArranjamento de nível de energia da interface melhoradoRelacionado.

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Enlitech QFLS-Maper (em inglês)Pode em breve3Geração rápida de níveis de energia quasi-fermi em segundos (QFLSimagem e menos2Reconstruído em minutosPseudo J-VCurvas que lhe permitem dominar facilmente os limites teóricos de eficiência dos materiais e as situações de perdas compostas não radiológicas. Suporta não apenas mediçõesiVOCePLimagens eO PLQYParâmetros multimodais e outros, apresentados de forma altamente visualizada, ajudam os pesquisadores a analisar com precisão e otimizar o desempenho de células solares e outros componentes fotoelétricos avançados. Siga-nos para obter mais notícias!

2. Densidade de corrente-Tensão(J-V)Curvas

A equipa de pesquisa usouEnliTechdoAAASimulador de luz solarSS-XRealizar J-Vmedição da curva,Avaliação dos principais parâmetros de desempenho das células solares

Gráfico4aComparando o grupo de controle eD18Grupo de células solares de perovskite de pequena áreaJ-VCurvas, incluindo varredura inversa e varredura positiva. IntroduçãoD18Depois da camada média, o melhorD18Dispositivos de pequeno tamanho implementados 26.39%(digitalização inversa) e26.12%Eficiência de conversão de potência (digitalização positiva), o fator de preenchimento de80.37%Aumentar para83.92%A tensão aberta de1,152 VAumentar para1,185 V，Isso aumenta a eficiência geral.

•Gráfico4CMostra uma grande área(1 cm2)Células solares de perovskiteJ-Vcurva, igualmente comparando o grupo de controle eD18Grupo. Mesmo em grandes áreas, o usoD18Os dispositivos da camada média ainda mostram alta eficiência.

3. Eficiência quântica externa(Eficiência Quântica Externa, EQE)

Equipe de Pesquisa UsaEnliTechdoEQESistemaQE-R，Medir a resposta das células solares a diferentes comprimentos de onda de luz e integrar o cálculo da densidade de corrente de curto-circuito(Jsc)- É.

GráficoS 23：Comparando o grupo de controleD18Eficiência quântica externa das células solares de perovskite (EQE(Espectro). Em toda a gama de absorção de luz visível,D18equipamento do grupoEQEmelhoria em comparação com o grupo de controle. PontosEQEA densidade de corrente de curto circuito obtida pelo espectro eJ-VOs valores medidos pela curva correspondem.

Resultados da pesquisa:D18A densidade de corrente de curto-circuito integral do dispositivo é 25,86 mA cm?25 eJ-VOs resultados da curva são consistentes.

Outras características

•XRadiação(XRD)：

Analise a estrutura cristalina e a pureza da película de perovskite e avalie a degradação do dispositivo sob estresse térmico. Também é usado para avaliarD18efeito de bloqueio de íons. Resultados confirmadosD18A camada média pode efetivamente inibir a descomposição do perovskite sob tensão térmica,e em certas concentraçõesParardo PbBr2eFAIReações de troca de íons entre- É.(Figura)1cFigura2bFiguraS 10）

•Espectro de massa iônico secundário do tempo de voo(ToF-SIMS)：

Analise a distribuição dos elementos dentro da camada do dispositivo e estude o comportamento migratório dos íons durante o envelhecimento. Os resultados mostram que, sob tensão térmica,Perovskite em dispositivos de controleEu-eFA+Íons são claramenteEspiro-OMeTADDifusão da camadaeD18A migração de íons no conjunto é significativamente inibida- É.(Figura)2ee2fFiguraS 13）

•Luminosidade(PL)Distinção entre luminosidade e tempo(TRPL)：

Estude a dinâmica do veículo e a eficiência da transferência de carga de interface do perovskite. IntroduçãoD18Depois da camada média,O composto excitador do perovskite é efetivamente inibido e a separação de carga e a eficiência de extração são melhoradas- É.(Figura)3aFigura3bFiguraS 19）

•Microscópio de força de sonda Kelvin(KPFM)：

mediçãoHTLO potencial superficial da superfície, avaliado após o envelhecimentoHTLmudanças nas funções. Após o envelhecimentoDispositivos de controleEspiro-OMeTADO potencial de superfície diminuiu significativamente e a função de trabalho diminuiu significativamente.，D18Dispositivos de conjuntoEspiro-OMeTADO potencial de superfície e a função variam menos. (Figura)2 horase2i）

•Microscópio eletrônico de varredura(SEM)：

Observe a forma superficial da película e a estrutura em secção do dispositivo. Confirmação de imagemD18A camada média é capaz de formar uma película densa, cobrindo efetivamente a superfície do perovskite e protegendo a aparência do perovskite após o envelhecimento. (Figura)2DFiguraO S5）

conclusão

Este estudo foi eficaz emn-i-pIntrodução de uma camada em células solares de perovskiteMuito fino.D18Camada Intermédia de PolímeroEste design inovador trouxe progressos significativos:

•Aumenta significativamente a estabilidade das células solares：D18A camada média é eficazBloqueia a camada de perovskite e a camada de transmissão de buracos elétricos(HTL)Difusão de íons entreProtegem o material perovskito eHTLLivre da degradação. Experimentos mostraram que, em comparação com nenhumD18Dispositivos de camada média, usoD18Os dispositivos podem manter maior eficiência em condições de luz contínua e altas temperaturas.

•Aumenta a eficiência da conversão de energia：D18Camada médiaPerovskite otimizado eHTLDisposição de energia entrePromove a extração eficaz de buracos elétricos e reduz a perda de energia da interface. Eventualmente, as células solares produzidas pela equipe de pesquisaAté26.39% (Certificado como26.17%)Eficiência de conversão de potênciae grande área.(1Centímetros quadrados)Eficiência do dispositivo também25.02%- É.

Referência da Nature Communications_DOI: 10.1038/s41467-024-55329-0

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