Antecedentes e desafios da pesquisa

Células solares de perovskite (PSCsApesar de ter demonstrado avanços em dispositivos de pequena área, masMódulo de grande área (PSMGargalo de desempenho continua a ser um obstáculo fundamental para a comercializaçãoO problema fundamental éDificuldades de controle de qualidade de películas de perovskite de grande área- É.

Em comparação com a preparação de pequenas áreas em ambientes inertes de laboratório,A fabricação em grande escala enfrenta complexos controles de dinâmica cristalina e desafios ambientais exigentesIsso resulta em uma perda significativa de eficiência da bateria ao módulo. As principais dificuldades técnicas incluem:

1. Complexidade do controle do processoA preparação da solução envolve uma coordenação precisa das concentrações de precursores, propriedades do solvente e parâmetros de processo, que interagem para tornar a formação de filmes densos e uniformes desafiadora, limitando a ampla janela operacional necessária para processos de grande área.

2. Contradicções de estabilidade dos materiais: Embora com a armadura (FA(ou césio)CsSubstituição da metamina volátil (MAmelhorar a estabilidade térmica, masNadaMAdoFACsPerovskita gerar má fase intermediária e comportamento de cristalização difícil de controlare o excesso;CsIsso levará à refinação do grão e à diminuição da cristalização. Além disso,FA+O grande tamanho dos íons é susceptível de gerar tensões residuais prejudiciais no filme.

3. Sensibilidade ambientalA umidade e o oxigênio no ar são altamente reativos à mina de perovskita de chumbo halogenado, o que pode desencadear mudanças de fase destrutivas e colapso estrutural, afetando gravemente a estabilidade do dispositivo.

4. 研究策略局限: os métodos existentes de controle de componentes, engenharia de aditivos e outros se concentram em uma única dimensão,Falta de estratégias integradas para abordar simultaneamente o controle de cristalização e a estabilidade ambientalpara preparar grandes áreas de alta qualidadeFACsO perovskite continua a ser um grande desafio técnico.

Equipe de Pesquisa

Este estudo foiEquipe Chen Wei da Universidade de Ciência e Tecnologia da ChinaPublicado em revistas acadêmicas“Materiais Energéticos Avançados"- É.Equipe de pesquisa propõe introdução de aditivos de dupla função——Acetamida (mercaptoacetamida, MAA(Estratégia de Inovação)É projetado para resolver simultaneamente o duplo desafio de controle de qualidade de películas de perovskite e estabilidade ambiental na fabricação em massa.

MAAMecanismo de ação central dos aditivosInclui:

• Regulação da dinâmica do cristal: atrasar a taxa de cristalização, ampliar a janela de processo, promover a formação de grandes grãos e melhorar a orientação do cristal

• Passivação de defeitos e melhoria da qualidadePassivação eficaz de defeitos de espaço vazio para melhorar a uniformidade e a cristalização do filme

• Funções de proteção ambiental: com forte redutividade, protege a película de perovskite contra danos hidrolíticos e oxidativos no ambiente aéreo

AtravésMAAMúltiples interações com os componentes do perovskite, a estratégia foi realizada com sucessoOtimização sinergica de controle de cristalização e estabilidade ambientalFornece uma solução eficaz para a preparação de películas de perovskite de alta qualidade em grandes áreas.

Métodos experimentais e processos de pesquisa

Figura 6a

研究以Aditivo de dupla função (MAA）Como núcleo, estabeleceu-se uma rota técnica completa, desde dispositivos de pequena área até módulos de grande área, e combinado com o cálculo teórico para analisar os mecanismos de ação em profundidade.

1. Sistemas de materiais críticos: AdoçãoFACsSistema de perovskita (FAIePbI₂eCsBr(combinação)C60camada de transmissão eletrônica,poli-4paczCamadas monomoleculares auto-montadas e inovações introduzidasMAAAditivos de dupla função.

2. Rota técnica de processo：

l Tratamento do substrato e preparação da camada funcional：FTODepois da limpeza padrão, o substrato é depositado sequencialmenteO NiOxcamadas de transmissão de buracos elétricos eSAMCamada da interface

l Preparação de perovskita• Concentrações diferentesMAAIntrodução de soluções precursoras, adoçãoDeposição de revestimento de lâminaTratamento a vácuo e cozimento térmico para formar uma película de alta qualidade

l Integração de dispositivos: Preparação em ordemPEAIPassivação,O C₆₀/ BCPcamadas de transmissão eletrônica eCuO eletrodo.Todos os processos, exceto os eletrodos metálicos, são realizados em ambiente aéreo.

3. Verificação de escalaO sucesso estende o processo para5 x 5 cme14x14 cmSubstrato de grande área, através da tecnologia de traçado a laser para a interconexão em série de sub-baterias, fator de preenchimento geométrico do módulo até96%- É.

4. Teoria e validação de desempenhoTeoria da Densidade (DFT(Explicação do cálculo)MAAMecanismo de supressão de defeitos e testes de estabilidade a longo prazo em condições térmicas e térmicas úmidas para verificar completamente o efeito do aditivo.

Métodos e resultados de caracterização

Divisão quasi-fermiana(QFLS)

Divisão Quasi Fermi (QFLSÉ um indicador-chave para medir o potencial de tensão de circuito aberto do material, ao mesmo tempo em que pode revelar a fonte de perdas compostas não radiológicas. Este estudo foi realizado através da produtividade quântica fotoluminescente (O PLQY(medição)Avaliação quantitativaMAAEfeito de passivação de defeitos- É.

Os resultados mostraram,EscrituraMAAFilme de perovskite tratado, queO PLQYValor até0.94%Muito acima do grupo de controle.0.25%Isso significa uma redução significativa no composto não-radiante dentro do filme, o que indica o desempenho do dispositivo, especialmente a tensão de circuito aberto (COV(A promoção. De acordoO PLQYcálculo do valor,ΔQFLSAumentado.34,04 mVcom todo o equipamento.COVO aumento corresponde.

Figura 4g. Valores PLQY dos filmes de perovskita sem ou com MAA depositado em substratos de vidro.

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J-VMedição da curva(Corrente-Curva de tensão)

J-VCurvas para medição direta de células e módulos solaresEficiência de conversão óptica(PCE)Densidade de corrente de curto circuito(Jsc)Tensão de circuito aberto(Voc)e fatores de preenchimento(FF)- É.

Resultado:

◦ Dispositivos de pequena área: OtimizadoMAATratamento de pequenas áreas de perovskite células solares (área eficaz)0,09 cm²realizada).25,52% PCEOs parâmetros específicos sãoJsc 24,76 mA cm⁻²eVoc 1.203 VeFF 85,68%em comparação com o dispositivo do grupo de controlePCEpara23.46%Principalmente por causaVoceFFdiminuição significativa. Além disso,MAAÍndice de atraso do dispositivo (Índice H(Para0.63%significativamente melhor do que o grupo de controle.2.17%

◦ Módulo médio: Expandir o processo para11,09 cm²os módulos,MAAO módulo processado foi implementado em varredura inversa 22.87%doPCE(EstabilidadePCEpara22.48%seu).Vocpara5,952 VeJsc 4,70 mA cm⁻²eFF 81,75%e demonstrar uma boa reprodutividade. do móduloÍndice Hpara1.48%O grupo de controle é2,61% [S5]- É.

◦ Módulos de grande área: Em uma área maior (113.00 cm²no módulo,MAAO dispositivo processado também foi implementado. 20.18%doPCE- É.

Figura 6b. Curvas J-V dos PSCs campeões para o controle e MAA

Figura 6c. Curvas I-V de PSMs campeões sem ou com modificação MAA (área de abertura 11,09 cm2, 5 sub-células)

Figura 6f. Curvas I-V de PSMs campeões com modificação MAA (área de abertura 113,00 cm2, 14 sub-células)

Na medição da eficiência das células solares,EnliTechdoSS-X AM1.5GSimulador de luz solar espectral padrãoOfereceu.Estável e precisoAM1.5G (em inglês)Fonte de LuzO seu A+Nível espectralgarante a utilização de novos tipos de células solares (como perovskite)/caracterização precisa das baterias de silício).

Eficiência quântica externa(EQE)Espectro

EQEMedição espectral paraAvaliar a eficiência do dispositivo na conversão de fótons de entrada em elétrons (corrente) sob diferentes comprimentos de ondaPode verificar.J-Vmedição obtida.Jscvalor e fornece propriedades de resposta do dispositivo em diferentes faixas espectrais.

Os resultados mostram que o dispositivoEQEIntegração espectral JscO valor é23,73 mA cm⁻²eJ-VOs resultados das medições são consistentes.(Figura S24)

Para a análise quântica da eficiência das células solares,EnliTechdoQE-RSistema de medição de eficiência quânticaÉ global.1,000VáriosSCIEscolha de trabalho confiável. Ele oferece EQE / IQE / IPCE / SRCapacidade de testeDisponível 300-2500 nmLarga gama de comprimentos de ondaeacima99.5%A repetitividade- É.

Outras características

Análise da morfologia da película fina e da estrutura cristalina(SEM, AFM, XRD, GIWAXS) AvaliaçãoMAAEfeitos na microestrutura da película de perovskite.MAAIntrodução do tamanho do grão dede 199 nmAdicionar para386 nma rugosidade do filme é reduzida,(100)A orientação prioritária do cristal é melhorada e a tensão de alongamento residual é significativamente reduzida.(Figura 2a-i)

Análise dinâmica dos transportadores(PL, TRPL, FLIM) Avaliar o efeito de passivação de defeitos e as características de transmissão de carga.MAAApós o tratamentoPLAumento significativo da força, a vida do transportador de366,9 nsExtendir para867,1 ns，FLIMMelhoria da eficiência da extração eletrônica da interface de exibição.(Figura 4d-f)

Estrutura e potencial de superfície(UPS, KPFM) AnáliseMAAO efeito regulador do alinhamento do nível energético.MAAO processamento faz com que a função de trabalho se desloca para cima, o fundo da fita se desloca para cima de acordo, o filme é mais fortenCaracterísticas do tipo,KPFMA distribuição do potencial da superfície é mais uniforme, favorecendo a transferência de carga.(Figura 4a-c)

Monitoramento em tempo real da dinâmica de cristal(Microscópio óptico in situ,LocalizaçãoPL) RastreamentoMAAmecanismo de regulação do processo de cristalização.MAATaxa de cristalização atrasado significativamente, janela de processo expandida, durante o processo de cozimentoPLO aumento contínuo da força mostra uma melhoria na qualidade do filme.(Figura 3a-h)

Verificação de cálculos teóricos(DFT) esclarecerMAAMecanismo molecular de supressão de defeitos. Resultado do cálculoMAAFormação de defeitos de espaço vazio após a adsorção pode ser melhorada e efetivamente suprimidaVPbeVIeVFAtais deficiências se formam.(Fig. 4h)

Estabilidade térmica e antioxidante(Temperatura no localXRD,Análise espectral de massa) AvaliaçãoMAAProteção da estabilidade do material.MAATemperatura de decomposição térmica da película fina160°CElevar para180°Ccom restauraçãoI2paraEu⁻capacidade de inibir eficazmente a oxidação do precursor.(Figura 5a-i)

Estabilidade operacional a longo prazo(Luz quente/Teste de calor úmido) Verifique a durabilidade do dispositivo de embalagem em ambientes de aplicação reais. Condições térmicas1120Mantenha depois de uma hora.94.5%Eficiência em condições quentes úmidas550Mantenha depois de uma hora.95.6%Eficiência.(Fig. 6g-h)

conclusão

A equipe de pesquisa desenvolveu com sucessoAcetamida (MAAEstratégia de Aditivos de Dua FunçãoResolve sistematicamente os desafios de controle de cristalização e estabilidade ambiental na fabricação de módulos solares de perovskite de grande área.

Avanços tecnológicos principais:

1. Otimização da dinâmica de cristal：MAAAtraso da taxa de cristalização e ampliar a janela de processo, o tamanho do grão dede 199 nmAumento significativo para386 nm，(100)A orientação de prioridade do cristal é melhorada e a tensão residual é significativamente reduzida.

2. Passivação eficiente de defeitosVida do transportador a partir de366,9 nsExtendir para867,1 ns，O PLQYde0.25%Elevar para0.94%，DFTConfirmação do cálculoMAASuprime eficazmente a formação de defeitos de espaço vazio.

3. Controle e transmissão de carga: função de4,85 eVAjustar para4,64 eVMovimento para cima da cinturanCaracterísticas do tipo, distribuição de potencial de superfície mais uniforme, eficiência de extração de eletrônicos de interface melhorada.

4. Aumento da estabilidade ambientalTemperatura de decomposição térmica de160°CElevar para180°Cacima,MAAAs propriedades de redução inibem eficazmente a oxidação do precursor e melhoram a estabilidade da natureza do material.

5. Desempenho do dispositivo:

• Área pequenaPSCalcançado25.52%Alta eficiência

• 11,09 cm²Implementação de mini módulos22,87% PCE(Eficiência estável)22.48%）

• 113.00 cm²Módulo de área grande alcançado20,18% PCE

Excelente estabilidade a longo prazo: condições fototérmicas1120Mantenha depois de uma hora.94.5%EficiênciaCondições quentes úmidas550Mantenha depois de uma hora.95.6%Eficiência

Referência de Advanced Energy Materials_DOI: 10.1002/aenm.202502193

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