Dificuldades e desafios de pesquisa

camadas de contato seletivas de carga elétrica de alta eficiência existentes (como camadas monomoleculares auto-montadas,SAM(Otimização para células solares de perovskite de lacuna estreita, suas características de nível energético não são largas lacunas energéticas)do WBG(Projeto personalizado da mina de perovskita. Esse desajuste energético da interface resulta em uma grave composição não radiante, causando diretamente a perda de tensão de circuito aberto e a redução do fator de enchimento, limitando seriamente a eficiência geral de conversão de potência do dispositivo.

O principal desafio deste estudo é como é sistemático eRegulação precisaSAMnível energéticopara fazê-lo comdo WBGPerovskita alcançadoMelhor correspondênciaAssim,Reduzir a perda composta da interface e melhorar a eficiência da extração de cargaMelhoriasdo WBGO desempenho geral das baterias de perovskita e baterias de superposição.

Equipe de Pesquisa e Publicação

Este estudo inovador vem deProfessor Zhejiang da Universidade de Zhejiang eDeren Yang教授Liderança conjunta, resultados de pesquisa publicados em revistas acadêmicas de renome internacional Comunicações NaturezaA equipe mostrou como utilizar a estrutura molecularEfeitos induzidosregulação precisa e sistemática.SAMnível energético, e com base nisso preparado de alta eficiênciado WBGBateria de perovskite ePerovskite com eficiência recorde/ TOPConBateria de superposição- É.

Realizações e perspectivas de pesquisa

l Inovação fundamental: uso bem sucedido dos “efeitos indutores” na estrutura molecular(Efeito indutivo)regulamento preciso e sistemático de camadas monomoleculares(SAM)O nível energético- É.

l RealizaçãoSAMOtimização de nível de energia para combinar com largos intervalos energéticos(Grupo de Trabalho)Necessidade de baterias de perovskiteResolve o gargalo de eficiência causado pela desigualdade energética.

l Confirmação do conteúdo para o grupo eletrônicoSAM PyAA-MeOConstruiu o alinhamento energético mais favorável da interfaceIsso promove significativamente a extração de buracos vazios e reduz significativamente a perda de compostos não radiológicos.

l Preparação de alta eficiênciado WBGBateria de perovskita única, eficiência de conversão de energia(PCE)Máximo alcançado22.8%e com alta tensão de circuito aberto(COV)e fatores de preenchimento(FF)- É.

l Dispositivos com excelente estabilidadeExcelente desempenho em vários testes de envelhecimento acelerado, como luz, estresse térmico e rastreamento do ponto de potência máxima.

l Com base na otimizaçãoSAMConstruído com sucesso perovskite de alta eficiência/ TOPConBateria superposta, conseguido.31.1%Eficiência de conversão de potência(Terceiros certificados como30.9%)- É.

l Através da análiseO PLQYComo resultado, é extraído e quantificado.Divisão quasi-fermiana(QFLS)Ganhos，O PyAA-MeOInserirA película de perovskite mostraO maior.QFLSGanhos(48,1 meV)com o mais alto observado em dispositivos fotovoltaicosCOVapresentação coincidente,Reflete a redução das perdas compostas não radiológicas- É.

l Esta eficiência da bateria de superposição é o perovskite atualmente relatado/ TOPConUma das mais altas eficiências em baterias superpostas- É.

Figura 4e

Processo experimental e passos

Figura1ab

Projeto Molecular e Síntese A equipe de pesquisa projetou e sintetizou uma série de estruturas baseadas no núcleo de pireno com grupos de ancoragem acrílica.SAMMoléculas, incluindoO PyAAeO PyAA-BreO PyAA-MeeO PyAA-MeOCada molécula tem diferentes propriedades eletrônicas de grupos funcionais.

SAMPreparação do filme Será sintetizadoSAMMoléculas dissolvidas em solventes específicos, por meio de revestimento rotativoITOO substrato é depositado para formar uma película monomolecular e, em seguida, é rebocado para estabilizar a estrutura da película.

Preparação de perovskita emSAMModificadoITOSobre o substrato, a solução de precursor de perovskita de largos intervalos de energia é formulada, a película de perovskita é depositada usando a tecnologia de revestimento rotativo e tratamento anti-solvente e o tratamento de refresco é realizado.

Preparação de células solares aSAMModificaçãoITOComo base, a camada de perovskita é depositada sequencialmente e a camada de transporte de eletrões é depositada por evaporação térmica (LiFeC60eBCPe eletrodos de prata, completando a estrutura invertida da célula solar de perovskite de ligação única.

Preparação de pilhas solares Baterias de perovskita minerais de larga abertura (baseadas emO PyAA-MeOIntegração à comercializaçãoTOPConBateria de silício cristalino. emTOPConDeposição sequencial no substrato de silícioO NiOxcamadas,SAMcamada de perovskita, a camada de passivação superficial e a camada intermediária (LiFeC60edo SnO2(e estrutura do eletrodo superior)INFORMAÇÃOeAgeLiFmontado em perovskite./ TOPConpilhas solares em camadas.

Auxiliar ao cálculo teórico Simulação de cálculo usando a teoria da função de densidade e o princípio da natureza primáriaSAMMoléculas estãoITOEstruturas e interações de superfícies que ajudam a compreender os fenômenos observados ​​experimentalmente e orientam o design experimental.

CaracterizaçãoParteLei e resultados

1.J-VMedição de características

Equipe de Pesquisa Usa SimulaçãoAM 1,5 GEspectro(100 mW cm)-²)Unidade de medição de fonte sob irradiação(Keithley 2400)RealizarJ-VMedição de características. Precisão e confiabilidadeJ-VA medição requer simuladores solares de alta qualidade.Tecnologia da luzEnlitech SS-XSimulador de luz solarO seuAM1.5G (em inglês)Os filtros usam tecnologia avançada de deposição de plasma com alta precisão espectral e excelente durabilidade.

Os resultados mostram que, com base em diferentesSAMLarga lacuna energéticaPSCsA eficiência média deO PyAA-Brdo12.9%Aumentar gradualmente paraO PyAA-MeOdo22.1%Entre eles,O PyAA-MeOO dispositivo da base tem o melhor desempenho, alcançado22.8%doPCEDisponível1,24 VdoCOV、84.3%doFFe21,8 mA cm^-2 doJSC- É.

Gráfico4aapresentado com base em diferentesSAMdoPSCsdo dispositivoJ-Vcurva,Tabela1Resumindo os parâmetros de desempenho desses dispositivos.

Gráfico4eMostra a pilha de baterias.J-VCurvas.

2.Eficiência quântica externa(EQE)Medição

Medir a eficiência da bateria em diferentes comprimentos de ondaJ-VEm mediçãoJSCValor. Equipe de Pesquisa UsaEnlitech QE-RSistema de integração de eficiência quântica externaAs medições realizadas em condições de curto-circuito são feitas usando um amplificador de fase bloqueada e um preamplificador de corrente.EQEA medição compreende a resposta da bateria em diferentes faixas espectrais.Tecnologia da luzEnlitech QE-RSistema de medição de eficiência quânticacom alta repetitividade.(> 99.5%)E equipado com dois amplificadores bifásicos de bloqueio independentes para monitorar simultaneamente a potência de luz e o sinal do dispositivo.

Gráfico4b Comparando com baseO PyAAeO PyAA-MeOdo dispositivo.EQECurvas.O PyAA-MeODispositivos de baseEQEA curva mostra respostas mais elevadas e os pontos são calculados.JSCO valor é21,0 mA cm^-2superior aO PyAADispositivos de base20,2 mA cm^-2- É.EQEO aumento da corrente integral é atribuído ao alinhamento energético melhoradoExtração de buracos mais eficiente- É.

Gráfico4f Mostra perovskite/Dispositivos de superposição de silíciodo WBGSubbaterias e baterias de silícioEQECurva, IntegraçãoJSCOs valores são respectivamente19,8 mA cm^-2 e19,7 mA cm^-2- É.

3.Divisão quasi-fermiana(QFLS)Caracterização óptica relacionada

QFLS (Divisão de Nível Quasi-Fermi)Descreve a distribuição desequilibrada do nível de energia dos veículos fotogênicos sob a luz para quantificar materiaisCOVpotencial e ajudar a entender as fontes de perdas compostas não-radiológicas. A equipe de pesquisa avaliou com base em diferentesSAMPelícula de perovskiteO PLQYuso da equipa de pesquisaEnlitech LQE-50-EL (LQ-50)Sistema de eficiência quântica externa de emissão eletrônicaColeta.EQEEL- É.

AtravésO PLQYMedidas, os estudos descobriram que seu valorSAMAumento da capacidade eletrônica, deO PyAA-Brdo0.70%Subir paraO PyAA-MeOdo5.71%com base neste cálculo, a fissura em escala de energia quasi-fermi(QFLS)Os valores aumentados também apresentam a mesma tendência, a partir deO PyAA-Brdo17,2 megavoltsAdicionar paraO PyAA-MeOdo48,1 megavolts， O PyAA-MeOMostrar o maiorQFLSMelhorarIsso com a tensão de circuito aberto mais alta do seu dispositivo(COV)Altamente correspondente. Além disso, todo o equipamentoEQEELA medição confirmou ainda mais,EQEELO valor aumenta com o aumento da capacidade eletrônica, de modo queO PyAA-MeOPerda de tensão do dispositivo(ΔV)mínimo(Apenas0,18 mV). Estes excelentes indicadores de desempenho fotoelétrico derivam do alinhamento energético da interface favorável,Promove a extração eficiente de buracoseReduz significativamente o composto de carga da interface- É.

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4.Corrente óptica transitória(TPC)Medição da decadência

Estude a dinâmica de extração de portadores (buracos vazios) em condições de curto-circuito. O alinhamento de energia da interface resultante do efeito induzido pelo grupo metóxico eletrônico facilita eficazmente a extração rápida dos buracos vazios.(Gráfico3d)

Outras características

1.XDifração de raios(XRD)：Avaliar a qualidade de cristalização da película de perovskite. Os picos e a intensidade das amostras são quase iguais e quase não são observados.PbI₂ O pico33Isso mostra que os diferentes grupos funcionais têm pouco impacto na cristalização do perovskite.(Gráfico2a)

2.Largo ângulo de penetração bidimensionalXDispersião de raios(GIWAXS 2D)

Estude a orientação do cristal depositado em películas de perovskite em diferentes substratos. Em todos os quatro casos, a orientação cristalina do perovskite é semelhante. Isso confirma que a mudançaSAMOs grupos funcionais não têm um efeito significativo na cristalização e orientação da película de perovskite.(GráficoS 24)

3.Microscópio eletrônico de varredura(SEM)

Observe a forma superficial da película de perovskite.SAMA modificação do grupo funcional pode ter um efeito negligencial na qualidade do perovskite depositado acima.(Gráfico2b)

4.ultravioleta-Espectro visível(Espectroscopia UV-vis)

Avaliar as propriedades de absorção óptica e as lacunas de banda óptica das películas de perovskite. Formas e intensidades espectrais semelhantes sugerem que as alterações no grupo funcional não alteram a absorção de luz e a lacuna de banda óptica dos materiais perovskitais.(Gráfico2c)

5.Espectro de energia fotoeletrônica ultravioleta(UPS)

ObterSAMModificadoITOInformação de nível de energia da superfície e análiseSAMAlinhamento energético com a interface do perovskite. As melhorias observadas no alinhamento energético provavelmente decorrem principalmente deSAMmudança de nível energético.(Gráfico3b)

6.Microscópio de força de sonda Kelvin(KPFM)

mediçãoSAMAlterações de potencial superficial da superfície de modificação. O potencial superficial diminui com o aumento da capacidade eletrônica do grupo funcional, o que indica que a partir deO PyAA-BrParaO PyAA-MeOdopcomportamento cada vez mais evidente.(GráficoS 30)

7.Distinção do tempo da luminosidade(TRPL)

Estude a dinâmica dos transportadores em películas de perovskite, especialmente o processo de extração de cargas elétricas.O PyAA-MeOO primeiro intervalo na curva de vida diferencial da amostra de base é o mais curto, e este período é dominado principalmente pelo processo de transferência de carga.O PyAA-MeOExcelente capacidade de extração de carga de interface.(Gráfico3c)

9.Resolução do tempoPLEspectro eMapeamento PL

Avaliar a estabilidade fotográfica da película de perovskite. Luz 24 Uma hora depois, todas as amostrasPLO lançamento teve um deslocamento vermelho semelhante. Isso confirma.SAMO efeito da estabilidade de fase do grupo funcional na película de perovskite de largos intervalos de energia é insignificante.(GráficoS 26.27)

10.Rastreamento do ponto de potência máxima(MPPT)Teste de estabilidade(teste de estabilidade MPPT)

Avaliar a estabilidade a longo prazo do dispositivo sob luz contínua.GráficoS 39 Ofereceu.MPPTRastreamento da curva. O relatório de estudo não envolve dispositivos em60 °CAbaixo 400 HorasMPPTApós o teste, com baseO PyAA-MeOO dispositivo é mantido mais do que99%eficiência inicial. Em torno 2500 Em diferentes testes de envelhecimento acelerado por horas, sua eficiência ainda permanece superior96%demonstra sua maior resistência a estímulos externos.

11.Teste de envelhecimento acelerado(testes acelerados de envelhecimento)

Avaliação da longa vida útil do dispositivo em condições de aceleração. Dispositivos em torno 2500 Depois de uma hora, mais do que96%eficiência inicial.

Resumo da pesquisa

Regulação precisaSAMEstratégia energética O estudo desenvolveu com sucesso uma estratégia para regular com precisão e sistematicamente a fase de energia da camada monomolecular de auto-montagem usando os efeitos de indução de grupos funcionais, fornecendo uma abordagem chave para a personalização de interfaces para corresponder a perovskitas com intervalos de energia específicos.

Otimizar a extração de energia e carga da interface Através da introdução de grupos metóxico fortemente eletrônicos (O PyAA-MeOcom sucesso otimizado.SAMAlinhamento do nível de energia da interface com perovskita de larga lacuna, criando uma curvatura da banda de energia favorável à extração de buracos elétricos, experimentalmente confirmadoO PyAA-MeOTem uma excelente capacidade de extração de carga de interface.

Singledo WBGAlta eficiência das baterias de perovskite Otimizado com nível de experiênciaO PyAA-MeOComo camada de seleção de buraco elétrico, melhorado significativamentedo WBGPerovskite desempenho da célula solar, o dispositivo atingiu22.8%A eficiência da conversão fotoelétrica é atribuída principalmente à melhoria da extração de buracos de interface e à redução das perdas compostas não-radiantes.

Redução eficaz de compostos não radiológicos e perdas de tensão O alinhamento otimizado de nível de energia da interface e a extração eficiente de buracos reduzem eficazmente a composição não-radiante do dispositivo.O PLQYeQFLSeEQE_ELOs testes mostraram,O PyAA-MeOOs dispositivos apresentam perdas compostas não radiológicas e perdas mínimas de tensão em circuito aberto.

Células solares em camadas de alta eficiência Será de alto desempenhodo WBGBateria de perovskita (utilizada)O PyAA-MeOIntegração comercialTOPConBateria de silício cristalino para construir com sucesso perovskita de alta eficiência/ TOPConpilhas solares em camadas.3 cm²Área ativa dispositivo de superposição alcançado31.1%Eficiência (certificação de terceiros)30.91%), paraTOPConUma das altas eficiências relatadas pelas baterias superpostas.

Demonstrar a estabilidade do dispositivoO PyAA-MeOO dispositivo demonstra excelente operação e estabilidade térmica. Os dispositivos não encapsulados permanecem em testes de envelhecimento acelerado, incluindo rastreamento do ponto máximo de potência, iluminação contínua e aquecimento contínuo, após longos períodos de funcionamento96%-99%eficiência inicial.

SAMEfeito leve na película de perovskite diferentes grupos funcionais.SAMO impacto sobre a cristalização, a morfologia, as propriedades ópticas e a estabilidade da luz da película de perovskite depositada é pequeno, confirmando ainda que a melhoria do desempenho do dispositivo é atribuída principalmente aSAMMelhorias na interface com o perovskite, em vez de mudanças na própria película de perovskite.

Referência de Nature Communications_DOI: 10.1038/s41467-025-59896-8

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