Antecedentes e desafios da pesquisa

PSCO principal gargalo da comercialização é a falta de reprodutividade do processo de passivação de defeitos. Este estudo aborda os três principais desafios enfrentados nesta área:

1. Variabilidade do estado da superfícieO estado da superfície da película de perovskite varia significativamente entre lotes diferentes e operadores, e mesmo pequenas flutuações do processo (temperatura, proporção química, umidade) podem levar a distribuições de defeitos muito diferentes, tornando o efeito de passivação difícil de reproduzir.

2. Dificuldades de controle da concentração de passivador idealAs estratégias tradicionais exigem um equilíbrio entre a reparação de defeitos e a transferência de carga (concentração ideal)C*Mas a variação do estado da superfície faz com que as melhores condições estabelecidas não possam ser reproduzidas através dos experimentos ou até mesmo ter efeitos negativos.

3. Limitações inerentes aos padrões de passivação convencionais：CPAlterações na concentração do passivador no modo afetam significativamente a sua distribuição com o alinhamento do nível de energia, afetando a reprodutividade. O excesso de passivadores pode gerar pó residual e baixas fases dimensionais, o que resulta em uma resistência de interface excessiva, redução do desempenho do dispositivo e problemas iniciais de estabilidade.

Equipe de Pesquisa e SoluçõesMétodo

Este artigo sobre as células solares de perovskite (PSCsEstudo de estratégias de passivação de defeitos, porProfessor Wang Yi da Universidade de Xi Lake e Xue Jing Qing da Universidade de Zhejiangconcluído pela equipa de liderança conjunta. Os resultados da pesquisa foram publicados em revistas internacionais Energia Natural (Natureza Energia）Para cima.

A equipe de pesquisa sugere que "Passivação saturada"Passivação saturada, SP(Nova estratégia)A abordagem inovadora em duas etapas resolve os desafios acima mencionados:

Primeiro passo: regulação ativa

Utilização de fluoreto de isopropanol (FIPAReduzir a atividade de reação e a capacidade de penetração das moléculas de passivador, permitindo que o uso de passivadores de alta concentração assegure que todos os defeitos de superfície sejam completamente passivados, evitando ao mesmo tempo a reação excessiva e a formação excessiva de baixas fases prejudiciais.

2º passo: Limpeza precisa

AdopçãoFIPAcom isopropanol (IPAA mistura de solventes é lavada para remover com precisão o excesso de moléculas de passivador não ligado, alcançando a passivação saturada de defeito e mantendo a camada dimensional baixa na espessura apropriada.

Principais resultados da pesquisa

Figura 3i

1. FIPAMecanismo do solvente：FIPAÁtomos de fluoro e passivadores de sal de amônio formam fortes ligações de hidrogênio (H-Fligações de hidrogênio), passivadores inibidores competitivos ePbI2A reação excessiva reduz eficazmente a atividade de reação do passivador e a capacidade de penetração, evitando a formação excessiva de fase baixa prejudicial.

2. Ampliação significativa da janela de operação ：SPEstratégias com alta tolerância ao desvio de concentração de passivador, em comparação com as tradicionaisCPO padrão oferece uma gama mais ampla de concentrações adequadas, melhorando significativamente a reprodutividade do processo.

3. Desempenho do dispositivo

• Eficiência avançada：n-i-pBaixo intervalo de bandaPSCDa25.6%ep-i-nBaixo intervalo de bandaPSCDa26.0%ep-i-nBrechas de banda largaPSCDa23.0%e1 cm2Grande áreaPSCDa24.5%

• Melhoria da estabilidade：1000horas após o envelhecimento acelerado80%InicialPCEA estabilidade inicial é significativamente superior àCPDispositivos

• Redução do atrasoPassivação de defeitos inibe eficazmente a migração de íons

4. Ampla validação universal SPA estratégia se aplica a:

• Estruturas diferentes (n-i-pep-i-n）

• Composição de perovskite (diferentesbrconteúdo)

• Tecnologia de preparação diversificada (método de duas etapas, método de deposição anti-solvente)

• Diferentes ambientes de preparação (nitrogênio, ar)

• Área de vários dispositivos (mais significativa para dispositivos de grande área)

• Pode ser realizada por meio do método de imersão, com potencial de industrialização

Passos e processos experimentais

Figura 4j

1. Preparação de perovskita Validação com dois métodos de sedimentação principaisSPAplicabilidade estratégica:

• Método de dois passos: Rotação em camadasPbI2Solução eFAI/MAClApós a solução, aplicarn-i-pep-i-nPerovskite de baixa e larga faixa estrutural

• Método de deposição anti-solvente: durante a rotação da solução de precursor, gota a gota e adição de anti-solvente (éter de aniso ou éster de acetato de etilo)

Ambiente de preparação abrange a caixa de luvas de nitrogênio (alta pureza) e ambiente de ar (25-30%umidade, simulando as condições reais de produção).

2. Montagem do dispositivo

• Estrutura do Substrato：ITOouFTODeposito de eletrônicos no substrato de vidro/Camada de transmissão de buracos elétricos (do SnO2e2PACzeNiOx / Me-4PACZEspere)

• SPTratamento de passivaçãoPassivante de sal de amônio de alta concentração (PEAIetc.) dissolvido emFIPARevestimento sobre a superfície do perovskite, seguido deFIPA / IpanA mistura do solvente é lavada para remover as moléculas em excesso.p-i-nOs dispositivos estruturais precisam de um curto recemento a baixa temperatura

• Métodos alternativosVerificar a viabilidade de um método de imersão alternativo ao método de revestimento rotativo

• Eletrodo concluídoMaterial de transferência de buracos de sedimento (Espiro-OMeTAD(ou extração eletrônica)LiF / C60 / BCP), último eletrodo metálico vaporizado

3. Teste de desempenho Medição em condições padrãoJ-VCurvas características, obtençãoPCEeCOVeJSCeFFParâmetros-chave. Todas as medições não foram pré-tratadas e destinadas especialmente a1 cm2Avaliação do potencial de industrialização de dispositivos de grande área.

Métodos de caracterização e resultados

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

Avaliar o efeito de passivação de defeitos de película de perovskite e a capacidade de inibição de perdas compostas não radiológicas,QFLSAumentar a conexão direta de dispositivosCOVeFFMelhorias.

EscrituraPEAI/FIPA de 100 mMPelículas de perovskite tratadasQFLSfilmeMelhoria até17,5 mVclaramente melhor do quePEAI/IPATratado12,8 mVAs etapas de limpeza podemPEAIdissolução em pó ou2Dredução da melhoria, masIPAApós a limpezaQFLSfilmeMelhorias ligeiramente superiores aFIPALimpeza- É.SPFilme pós-tratamentoQFLSfilmemelhoria contínua,PLNão observado no espectro2DO pico de lançamento de fase confirma a estabilidade do efeito de passivação.

GráficoS 12 MostrarPEAI/FIPA de 100 mMePEAI/IPATratamento da película sem limpeza,FIPAlimpeza,IPALimpeza em três condiçõesQFLSfilmeMelhorar a comparação.PEAI/FIPAAmostras não limpas mostram o valor máximo de melhoria(17,5 mV)Visualiza o efeito de diferentes etapas de tratamento e limpeza de solventes no efeito de passivação de defeitos.

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Densidade de corrente-Tensão(J-V)Curvas

Caracterizar os parâmetros de desempenho básicos das células solares, refletindo a transferência de carga do dispositivo e o desempenho fotovoltaico geral.

SPEstratégia melhora significativamentePSCsdoPCEapresentação.Cs0.05FA0.95PbI3 p-i-nDispositivos estruturaisPEAI-SPApós o tratamento,PCEAtingido25.5%（COV = 1,17 V，FF = 83,00%，JSC = 26,30 mA cm^-2). A estratégia para diferentes componentes perovskite (20% de FAPbBr₃ou40% de MAPbBr₃Doping), diferentes métodos de preparação e ambientes diferentes mostram uma excelente versatilidade.SPA passivação reduz eficazmente o atraso atribuído à passivação defeituosa que inibe a migração de íons.

Gráfico4a Aparelhos de referência ePEAI-SPTratadoCs0.05FA0.95PbI3 p-i-nDispositivos estruturaisJ-VComparação de curvas ePCEHistograma estatístico.SPCurva do dispositivo de processamento mais "quadrado", mostrandoMaior fator de enchimento e eficiência de conversão de potência，PCEDistribuição mais concentrada e média mais alta, destaqueSPEfeito significativo da estratégia na melhoria do desempenho e da repetibilidade do dispositivo.

Eficiência quântica externa(Eficiência Quântica Externa, EQE)

A eficiência da conversão de fótons de entrada em corrente de saída sob diferentes comprimentos de onda reflete diretamente a capacidade de resposta espectral do dispositivo e a eficácia da utilização da luz solar. Medição adotadaEnliTech QE-RSistema de medição de eficiência quântica- É.

EQESuporte a dados espectraisJ-VCurvas medidasJSCValores para verificar ainda mais o desempenho do dispositivo em cada área espectral, confirmandoSPCapacidade de conversão optoelétrica de dispositivos pós-processamento estratégico.

GráficoS 22a MostrarCs0.05FA0.95PbI3 p-i-nDispositivos estruturaisEQEEspectro. Dispositivos em regiões de luz visível e infravermelho próximo (aproximadamente300-850 nm(apresentação)Alta eficiência quântica, pico próximo90%O dispositivo tem uma capacidade eficiente de absorção de luz e coleta de cargas nesta faixa de comprimentos de onda.

Rastreamento do ponto de potência máxima(Rastreamento MPP)

A saída de corrente do dispositivo é monitorada sob iluminação constante e tensão de desvio que varia ao longo do tempo, avaliando a estabilidade operacional a longo prazo, especialmente o desempenho em condições de envelhecimento acelerado.

Simulação de envelhecimento acelerado em condições de ensaio (65°CeN₂Na caixa de luvas0.8vezes a luz solar),SPA estratégia mostra estabilidade.SPDispositivos em1000Manter mais do que horas após o teste80%InicialPCEe a passividade tradicional(CP)O dispositivo no início260Dentro de uma horaPCEA queda acentuada, ainda menor do que no grupo de controle, foi atribuída à penetração excessiva do passivador.SPA estabilidade inicial do dispositivo é significativamente superior àCPdispositivo, devido à diminuição da penetração do passivador.

GráficoS 34 Comparar o grupo de controle não encapsulado,CPeSPNormalização do dispositivo em testes de envelhecimento aceleradoPCEMudar com o tempo.SPDispositivosPCEVelocidade de decadência mais lenta e estabilidade óptima a longo prazoeCPOs dispositivos mostraram uma queda significativa no desempenho no início dos testes.

Outras características

1. Distinção angularXEspectroscopia fotoeletrônica de raios(AR-XPS) Análise da distribuição profunda e capacidade de penetração das moléculas de passivador em películas de perovskite.ConfirmaçãoFIPA-SPModo para remover fundos de forma eficientePEAIO mínimo de resíduos de superfície aumenta a repetibilidade da passivação.(Gráfico1d)

2. XRadiação(XRD) Análise das mudanças na estrutura cristalina do perovskite após o tratamento com passivador e2Dformação.ConfirmaçãoFIPASupressão significativaPEAIpicos de pó e2DFormação de fase, inibição eficaz da mudança de fase ocorre.(Gráfico1e)

3. Espectro luminescente(PL) Avaliação da supressão de perdas compostas não radiológicas,PLA força reflete o efeito de passivação do defeito.MostrarFIPAcom capacidade de remoção molecular de passivador,IPAQuando o volume aumentaPLintensidade aumenta gradualmente.(Gráfico3g)

4. Microscópio eletrônico de varredura(SEM) Observação direta das mudanças morfológicas da superfície da película de perovskite, especialmentePbI₂enriquecimento da transformação regional.ConfirmaçãoFIPASupressãoPEAIReactividade, após o tratamentoPbI₂Área de enriquecimento(Zona Luminosa)ainda existe parcialmente.(Gráfico1g)

5. Espectro de ressonância magnética nuclear(RMN)e Transformação de Fourier do espectro infravermelho(FTIR) Pesquisa de solventes,PbI₂Mecanismo de interação molecular entre ligantes e passivadores.ConfirmaçãoFIPAÁtomos de fluoro médio e passivadores de amônio formam fortes ligações de hidrogênio, impedindo competitivamente a formação de fases de baixa dimensão.(Gráfico2f)

6. Análise estatística de parâmetros fotovoltaicos Avaliação:SPVersatilidade, repetibilidade e aplicabilidade da estratégia.ConfirmaçãoSPA estratégia funciona bem em vários dispositivos,1 cm2Grande áreaPSCsdoPCEde21.6%Elevar para24.5%- É.(GráficoS 24a)

conclusão

A equipe de pesquisa desenvolveu com sucessoPassivação saturada (SP(Estratégia)solução eficaz.PSCsOs métodos tradicionais de passivação causam problemas de inconsistência dos efeitos devido a variações no estado da superfície, melhorando significativamente a eficiência, a estabilidade e a reprodutividade do dispositivo.

Principais inovações:

1. FIPAPapel fundamental dos solventesFluoreto de isopropanol (FIPARedução significativa da atividade de reação das moléculas de passivador com perovskite em comparação com o isopropanol convencional (IPAGarantir que os defeitos sejam passivos e não interfiram com a transmissão de carga.FIPAAmpliar a janela de operação para que a estratégia seja altamente tolerável a mudanças de concentração de passivador, métodos de sedimentação e passivadores compatíveis, demonstrando excelente versatilidade.

2. Desempenho do dispositivoVários avanços em eficiência:n-i-pBaixo intervalo de bandaPSCDa25.6%ep-i-nBaixo intervalo de bandaPSCDa26.0%ep-i-nBrechas de banda largaPSCDa23.0%e1 cm2Grande áreaPSCDa24.5%- É.SPEstratégia para fornecer um alcance operacional mais amplo de concentração de passivador (PEAI de 20-100 mMEficiência estável sob concentração25%efetivamente inibir o efeito de retardo, melhorando significativamente o desempenho do dispositivo de grande área.

3. Excelente desempenho de estabilidadeTeste de vida acelerada (65°C、0.8luz solar,N₂ambiente),SPDispositivos1000Mais de uma hora depois80%InicialPCEe a passividade tradicional (CPO dispositivo na frente260Declínio significativo em horas, até pior do que no grupo controle não tratado, atribuído aSPEstratégias eficazes para reduzir a penetração excessiva de passivadores.

4. QFLSMelhorias significativas：SPManipulação contínua do filmeQFLSMelhoria,PEAI/FIPA de 100 mMFilme tratadoQFLSfilmeMelhoria até17,5 mVclaramente melhor do quePEAI/IPAdo12,8 mVdemonstrar efeitos reprodutíveis na redução da perda de tensão de circuito aberto.

Referência de Nature Energy_DOI: 10.1038/s41560-025-01791-z

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