Antecedentes e desafios da pesquisa

•O núcleo dos desafios das células solares de perovskite de alta eficiência: Apesar do perovskite halogeno metálico, devido às suas propriedades fotoelétricas, tem melhorado significativamente o desempenho das células solares e tornaPSCsdoEficiência de conversão de energia (PCE）Está se aproximando dos limites teóricos, mas ainda existem obstáculos significativos ao processo de otimização.

•Problemas inerentes a materiais seletivos de buracos de pequenas moléculas:

- É. Problemas de deposição uniforme e agregação molecular: Os materiais selecionados de buracos elétricos de pequenas moléculas existentes, especialmente no processo de solução, são difíceis de alcançar.Deposição uniformee eficaz.Inhibir a acumulação molecularPor exemplo, o comumO Me-4PACzAs moléculas se agrupam significativamente na solução e o tamanho das partículas aumenta significativamente com o tempo de armazenamento.

- É. Efeitos negativos de eficiência, reprodutividade e estabilidade: Este problema de deposição desigual e agregação molecular, para a bateriaEficiência e ReprodutividadeeEstabilidade operacional a longo prazoconstituir danos graves.

- É. Impedimento à industrialização e à produção em massa: Aggregação molecular não apenas encurta a solução precursorVida útiltambém obstruído seriamente.Processos contínuos em escala industrialIsto seráPSCsOs principais desafios da comercialização.

•Perda de energia e defeitos:

- É. Pequenas moléculas de materiais na interface da camada de perovskita com o substratoFormação de defeitoseEficiência de transferência de carga da interfaceA deficiência levou aComposto não radiológicoe afeta o dispositivo.Tensão aberta (COV）e desempenho geral.

- É. dispositivos existentes.Divisão Quasi Fermi (QFLSO valor pode não ser elevado o suficiente eEficiência quântica eletrônica (O EL-EQERelativamente baixa, tudo isso reflete diretamente a perda de energia e a densidade de defeito dentro do dispositivo.

Equipe de Pesquisa e Principais Resultados

Figura 3i

Este estudo foiDepartamento de Química da Universidade da Cidade de Hong Kong(Zonglong Zhu)教授、Conhecido(Xiao Cheng Zeng)教授eLi Zhong'an, Faculdade de Química e Tecnologia da Universidade de Ciência e Tecnologia da China(Zhong'an Li)教授Equipe, publicado em periódicos internacionais Fotônica Natureza- É.

Para resolver as células solares de perovskite (PSCsProblemas de agrupação molecular e deposição desigual de materiais de camada de contato seletiva de buracos médios, bem como os desafios resultantes, tais como a redução da eficiência, reprodutividade e estabilidade, a equipe de pesquisa desenvolveu e co-depositou umNovo tipo.pTipo de molécula pequenaD4PAformação simultânea com a película de perovskite,D4PAA chave para o design molecular está dentro de suas moléculas.O C–O CCasualidadeEste design combinado permiteD4PACapaz de formar fortes com perovskite e substratosInteração de ancoragem de múltiplos pontosEfetivamente melhorar a transferência de carga de interface e inibir a formação de defeitos dentro da camada de perovskite; Ao mesmo tempo,O C–O CA barreira espacial introduzida faz com queD4PAApresenta uma configuração molecular distorcida, inibindo efetivamente a agregação de moléculas.

AdopçãoD4PAequipamento é implementado em equipamentos de pequena área 26.72%Eficiência de conversão de potência certificada(PCE)e26.14%Rastreamento do ponto de potência máxima certificado(MPPT)Eficiência.

Em uma área eficaz10,86 centímetros2 no mini módulo,PCEAtingido23.37%CertificaçãoMPPTEficiência alcançada22.66%. O dispositivo funciona continuamente no ponto máximo de potência2,500HorasDepois, mantenha-o.Eficiência inicial97.2%acima- É.

Processo experimental e passos

Figura 3f

· Novo material seletivo para buracos elétricos sintetizado com sucessoPrimeiro, através da síntese orgânica de múltiplas etapas, o material principal foi preparado com sucesso D4PAMoléculas- É.

· Otimizar a fórmula de solução de precursor para co-sedimentação: Para realizarD4PACom a co-deposição da película de perovskite, a equipe de pesquisa irá concentrações específicas de D4PA(Aparelhos de pequena dimensão0,35 mg/mlO mini módulo é0,32 mg/mlmistura direta em solução de precursor de perovskiteformação contémD4PAtinta de perovskite. Esta etapa garanteD4PAPode ser uniformemente disperso e integrado na camada de perovskita.

· Preparação de dispositivos de pequena área de alta eficiênciaLimpeza e pré-tratamentoITODepois do vidro, contémD4PASolução de precursor de perovskite paraDeposito de revestimento giratório emITOSobre o substratoControlando a velocidade de rotação e o tempo de adição de gotas de anti-solvente, forma uma película de perovskite uniforme e, em seguida, realiza o tratamento de cozimento térmico. Em seguida, vaporizar a camada de transporte de eletrônicos(C60, BCP)e eletrodos de prata, e definido usando blindagem metálica0,0412 cm2área do dispositivo.

· Validação de processo de módulo de escalabilidade: Para verificaçãoD4PAO potencial de aplicação em processos de grande área, a equipe de pesquisa ajustou a fórmula do precursor do perovskite e adotou uma solução mais adequada para a produção em massa.Método de raspagem(revestimento de lâmina)Será incluídoD4PAA solução é revestidaITOSobre o substrato de vidro. Após o revestimento, a cozimento térmico é realizado e a camada posterior de eletrodos é igualmente vaporizada. Para formar o módulo, também foram feitas duas gravações a laser para definir a unidade.

· Avaliação abrangente de estabilidade e desempenho a longo prazo: Dispositivos de pequena área e mini módulos preparados dentro de uma caixa de luvas atmosféricas de nitrogênio sob a luz solar simuladaFoi feito.J-Vcurva,EQEeMPPTTestes de desempenhoAlém disso, até milhares de horas de MPPTTeste de estabilidade operacional contínuopara avaliar a sua confiabilidade operacional a longo prazo.

Métodos de caracterização e resultados

Divisão quasi-fermianaQFLS

Quantificar a perda composta não-radiante em películas de perovskite e refletir diretamente a tensão máxima de circuito aberto possível dentro do dispositivo(COV)- É.QFLSO valor é baseadoProdutividade quântica fotoluminescente(PLQY) Densidade de corrente saturada composta e radiação escura(J0, rad)calculado.

D4PAdo dispositivo baseQFLSValores sempre superiores aO Me-4PACzDispositivo de base. Isso confirma ainda mais.D4PAEficazSuprimir defeitoseMelhoria de compostos não radiológicosEm.100 mW cm^-2 A luz, o dispositivoCOVcomQFLSA diferença é quase insignificante, o que indica que a perda de tensão da interface é extremamente baixa.

Figura 4e:Mostrou.O Me-4PACzeD4PAPelículas de perovskite em diferentes intensidades de luzQFLSCurvas.

Lançamento de uma nova tecnologiaQFLS-MapeadorPrevê os limites do material!

Enlitech QFLS-Maper (em inglês)com um preço econômico acessível1/5Os custos de investimento podem ser alcançadosMapeamentoFunção e geraçãoQFLSImagem, apresentação intuitiva da distribuição de energia de nível quasi-fermi, a qualidade do material é imediatamente visível!

Siga-nos e obtenha informações técnicas em primeira mão!

Corrente-Características da tensãoJ-VCurvas

Avaliar o desempenho de conversão fotoelétrica global das células solares. UtilizaçãoTecnologia da luzEnlitechSimulador de luz solar de lâmpada de xenonSS-F5Agora.SS-X)Calibrar a intensidade da luz100 mW cm^-2e atravésKeithley 2400Tabela de origemDireção (- 0,1 Vpara1,35 V(e escaneamento inverso)1,35 Vpara- 0,1 V(Medição). Para mini módulos, a faixa de digitalização é- 0,1 Vpara6,2 V- É.

l Melhoria significativa do desempenho dos dispositivos de pequena área：D4PAda basePSCsRealizado.26.83%doEficienteTaxa (certificada como26.72%）Isso é significativamente melhor do queO Me-4PACzDispositivos de referência24.97%O melhor.D4PAdo dispositivoTensão de circuito aberto(COV)Atingido1.200 V(Valor de certificação1,197 V）Densidade de corrente de curto circuito(JSC)para26,11 mA cm^-2(Valor de certificação26,21 mA cm^-2）O fator de preenchimento(FF)para85.63%(Valor de certificação85.17%).

l Verificação de desempenho em nível modularEm uma área eficaz10,86 cm2Em perovskite mini módulo, realizou PCE 23,37%e certificadosMPPTEficiência22.66%Verificado.D4PApotencial em processos escaláveis.

Figura 3a:apresenta o usoO Me-4PACzeD4PAComoHSCO melhor desempenho do dispositivoJ-VCurvas.

Figura 3b:MostrarD4PACertificação do dispositivo baseJ-VCurvas.

Figura 3g:Mostrou.D4PABase do mini móduloJ-VCurvas.

Eficiência quântica externaEQE

Medir a eficiência da célula solar na conversão de fótons de entrada em corrente eletrônica em diferentes comprimentos de onda e pode ser usado para calcular a densidade de corrente de curto-circuito do dispositivo(JSC)Além disso,Alta sensibilidadeEQE Medição da densidade de corrente saturada composta de radiação escura que pode ser usada para avaliar o dispositivo(J0, rad)UtilizaçãoTecnologia da luzEnlitechdoQE-R EQESistemaRealizar medições externas de eficiência quântica.Alta sensibilidadeEQE então usarTecnologia da luzEnlitechdoPECT-600Sistema(atualFTPS)A corrente é amplificada e modificada pelo amplificador bloqueado.

D4PABase eO Me-4PACzdo dispositivo baseEQEO espectro mostra uma densidade de corrente de integração semelhante. Alta sensibilidadeEQEA medição mostra,D4PAdo dispositivo J0, radpara5.41 × 10^-21mA cm^-2claramente inferior aoO Me-4PACzdo dispositivo9.87 × 10^-21mA cm^-2Isso mostraD4PAReduz efetivamente a composição não radiológica do dispositivo.

Figura 3e:apresentado.O Me-4PACzeD4PAdo dispositivoEQEEspectro.

Figs. 53:Mostrou.O Me-4PACzeD4PAKiPSCsAlta sensibilidadeEQECurvas.

Eficiência quântica da luminosidade elétricaO EL-EQE

Quantificação direta da perda de energia do dispositivo em modo de luminosidade eletrônica, altaO EL-EQEOs valores indicam a menor perda composta não-radiante do dispositivo. AtravésTecnologia da luzEnlitechdoELCT-3010Instrumentos(atualREPS)Aplicar tensão externa/A fonte de corrente é medida.

D4PAKiPSCsdoO EL-EQEAté 15.25%Muito mais alto do queO Me-4PACzdo6.23%Isso provou.D4PAReduz efetivamente a perda de energia do dispositivo.

Figura 4f:Comparando.O Me-4PACzeD4PAKiPSCsNo modo de diodo luminosoO EL-EQEEspectro.

Rastreamento do ponto de potência máximaMPPTTeste de estabilidade

Avaliação de dispositivos encapsulados em simulação contínua da luz solar (1 Estabilidade operacional a longo prazo em funcionamento contínuo no ponto de potência máximo sob o sol). Após a embalagemPSCsNa atmosfera, à temperatura ambiente,1Equivalente ao SolLEDfuncionamento sob a luz. UtilizaçãoDiferenciamento de Potencial MultiRastrear a saída do ponto de potência máximo e seguirISOS-L-1Acordo.

D4PAOs dispositivos de base demonstram estabilidade operacional e funcionamento contínuo no ponto de potência máximo 2,500Após uma hora, mantenha a eficiência inicial.97.2%acimaMuito melhor do que o dispositivo de controle2,500Só depois de uma hora.82.7%).

Figura 3i:Mostra que o dispositivo encapsulado é contínuo no ponto máximo de potênciaAM 1,5 GSimulação da normalização da luz solarPCEEvolução.

Outras características

Cálculo teórico da função de densidade(DFT)Calculação) Calcular previsãoD4PAComportamento de ligação molecular e interface, os resultados mostramD4PALigação intermolecular baixa por meio de âncora em dois pontos(-1,5 eV vs Me-4PACz)do-2.356 eV)inibir eficazmente a acumulação molecular.(Fig.2g)

XEspectroscopia fotoeletrônica de raios(XPS) Análise do estado químico da superfície do material,D4PAEm filmePbO desvio evidente dos picos característicos confirma a presença de uma interação de interface mais forte com a camada de perovskite.(Fig.2a)

Transformação de Fourier do espectro infravermelho(FTIR) Rastrear padrões de vibração molecular com mudanças de temperatura,D4PAdoP = OOs picos de vibração se deslocam e permanecem estáveis ​​em baixas temperaturas, indicando que fortes ligações se formam muito cedo.(Fig.2c)

Microscópio de força de sonda Kelvin(KPFM) medir a distribuição de potencial superficial,D4PAO filme ainda mantém um potencial de superfície uniformemente estável após o aquecimento, confirmando comITOAumento da estabilidade térmica da ligação.(Figura 15)

Espectro de massa iônico secundário do tempo de voo(TOF-SIMS) Análise da distribuição de profundidade dos elementos,P+Sinal de exibiçãoD4PADispersão uniforme em toda a camada de perovskite em vez de se concentrar na interface.(Fig.1b)

Dispersião dinâmica da luz(DLS) Monitorar o comportamento de agregação molecular na solução,D4PAem12O tamanho das partículas após uma hora62 nmAdicionar para102 nmsignificativamente inferior aoO Me-4PACzdo211 nmAdicionar parade 405 nm- É.(Fig.2i)

Largo ângulo de tiroXDispersão de raios eXDifração de raios(GIWAXS/XRD) caracterizar a estrutura cristalina de película fina,D4PAEm baixoO qA força de dispersão da área de valor diminuiu significativamente, formando uma estrutura de fase não cristalina altamente desordenada.(Figura 24)

Espectro de Raman Relacionado à Polarização Detecção de orientação de arranjo molecular para confirmação adicionalD4PAEstrutura única inibe a pilha ordenada de moléculas.(Figura 27)

Mapeamento fotogênico e distinção fotogênica em tempo(PL)MapeamentoTRPL) Avaliar a eficiência de extração de carga,D4PAPelículas finas apresentam baixa resistência mais uniformePLDistribuição, a vida útil do transportador significativamente reduzida indica uma melhoria na eficiência de extração de buracos elétricos.(Fig.4a-c)

Análise de densidade de armadilha(tDOS)Análise) quantificar a densidade da armadilha,D4PADispositivos de base na área de armadilha profunda(0,4-0,5 V)Mostrar mais baixodo tDOSdemonstrar a eficácia da passivação de defeitos profundos.(Fig.4d)

conclusão

Pesquisa através da introduçãoNovo tipo.pTipo de molécula pequenaD4PACélulas solares em perovskite (PSCsresultados inovadores da pesquisa, melhorando significativamente a suaEficiência, estabilidade e viabilidade do processo- É.

· Design molecular único e mecanismo de ação：

ou D4PAÉ um tipo de...BipolímerospTipo de molécula pequenaO seu分子内C-CacoplamentoEm dois bifenilos[c, g]CarazolDBCEntre as unidades, foi introduzido um poderosoBarra do espaço- É.

ou Essa estrutura permiteD4PAPossuiConfiguração rígidae atravésLigações de hidrogênio intramolecularesmaior estabilidade.

ou D4PAPode eITOFormação de base e perovskitaForte ancoragem multipontoEm especial.Terminal duplo (2TConfiguração de ancoragem- É.

· Eficaz inibição da acumulação molecular：

ou D4PAbaixa capacidade de ligação molecular (aproximadamente***-1,495 eV**confirma sua forte resistência de bits espaciaisEficaz inibição da agrupação intermolecular- É.

ou DLSeGIWAXSeXRDA análise mostrou,D4PAManifestado em solução de precursorTendências de agregação mais baixase formaçãoEstrutura não cristalina altamente desordenadaEfetivamente inibe a pilha ordenada e a cristalização das moléculas.

ou Isso garante.D4PAEm tinta de perovskiteDispersão uniformee estende a solução de precursor.Vida útil- É.

· Melhorar a interação da interface e inactivar defeitos：

ou XPSeFTIRAnalisar a exibiçãoD4PAentre a camada de perovskitaInterações de interface mais fortesformação no início do crescimento do grão.Ligação forte- É.

ou D4PAdo2TCapacidade de ancoragemPassivação eficaz de defeitos profundos na superfície do perovskite(como espaços vazios de iodo, espaços de iodo e iodo)/chumbo reverso), reduzindo significativamente a densidade do estado de armadilha.

ou PLimagem eTRPLOs dados mostram,D4PAPelícula fina.Eficiência de extração de buracos elétricos melhorada e mais uniforme- É.

ou D4PAdo dispositivo baseQuasi-Fermi fissura de energia (QFLSValores sempre mais altosA supressão de defeitos e a melhoria do composto não radiológico foram verificados.

· Desempenho do dispositivo：

ou baseadoD4PACélulas solares de perovskiteAté26.83%doEficienteTaxa（A eficiência da certificação é26.72%significativamente além do dispositivo de controle.

ou Tensão de circuito aberto para o melhor dispositivo (COV(alcançado)1.200 Vdensidade de corrente de curto circuito (JSC(Para26,11 mA cm^-2Factor de preenchimento (FF(Para85.63%- É.

ou Rastreamento do ponto de potência máxima certificado (MPPTEficiência alcançada26.14%- É.

· Excelente estabilidade a longo prazo：

ou Após a embalagemD4PAOs dispositivos de base demonstram estabilidade operacional no ponto máximo de potência (MPP(Operação contínua)2,500Mais de uma hora depois97.2%Eficiência inicial- É.

ou D4PAfilme eITOAumento da estabilidade térmica da ligação.

ou D4PATinta perovskita tem um prazo de armazenamento mais longo,12Depois de horas de armazenamento,D4PAEficiência média do dispositivo diminuiu apenas ligeiramente0.32%e o dispositivo de tinta de referência caiu1.81%- É.

· Viabilidade de processos em grande escala：

ou Este estudo atravésMétodo de raspagemA área eficaz foi produzida com sucesso para10,86 cm2Mini módulo de perovskiteO seuEficiência alcançada23.37%（certificaçãoMPPTEficiência para22.66%).

Este resultado mostraD4PAemSimplificar o processo contínuo de comercializaçãoO enorme potencial em células solares de perovskite altamente eficientes e escaláveis.

Referência de Nature Photonics_DOI: 10.1038/s41566-025-01725-x

Este artigo foi reescrito pela Enlitech Optical Technology para compartilhamento acadêmico. Por favor, envie uma carta para informar sobre qualquer violação.