Réalisations et priorités de recherche

Batterie solaire pérovskite(CSP)Efficacité considérablement améliorée, mais tension en circuit ouvert(COV)Toujours en dessous de la limite théorique. Ceci est principalement dû à l'inadéquation des niveaux d'énergie et aux interfaces critiques (en particulierdu SnO₂/Perte composite non radiative de l'interface enterrée pérovskite). Les défauts de l'interface enterrée sont le problème principal, la régulation précise de cette interface est élevéePSCLa clé de la performance.

Cette publication dans les meilleures revues internationalesMatériaux avancés (Adv. Mater.)L’étude, réalisée parLee Gang de l'université polytechnique de Hong Kong (Gang Li), professeur etKuan LiuÉquipe de professeurs, etDe l 'université de Hong KongJinyao TangProfesseur etLee Ming - brightÉquipe de professeurs associésCo - leadership. PourCOVLe problème des pertes, a développé une innovation« régulation des interfaces enterrées(Règlement de l'interface enterrée, BIM)« StratégiePar un type particulier deDérivés Phosphonates amphiphiles auto - assemblés(MeOBTBT-POEt), dansdu SnO₂/Interface enterrée en pérovskite construire un"Modèle d'entraînement cristallin pérovskite". Ce modèle est solide par-Le processus de changement de phase solide s'auto - assemble pour former une structure supramoléculaire hautement orientée.

Concepts fondamentaux et mécanismes d'action- recherche axée surMeOBTBT-POEtLes multiples rôles clés des modèles supramoléculaires dans les interfaces enfouies:

•Induire une croissance cristalline préférentielle: favorise la formation de pérovskite hautement préférée Vers l'extérieur de la face(100)Direction cristalline, favorisant la transmission verticale des porteurs.DFTLe calcul montre que son(100)Interaction faciale(-0,94 eV)- Oui.

•Optimisation de l'alignement des niveaux d'énergie et de l'extraction des porteurs: moment dipolaire matériel(1,89 D)Réguler le niveau d'énergie de l'interface pour extraire les électrons de la barrière0,24 eVRéduit à-0,03 eV14, transfert accéléré de porteurs.

•Passivation active des défauts: structure moléculaire passivable « activement »SnO215Et pérovskite16Défauts intrinsèques de l'interface, inhibition efficace de la recombinaison non radiative.

Résultats de la recherche ciblée

•Efficacité de conversion de puissance élevée(PCE): atteint25,34%Le HighPCE- Oui.

•Très faible perte de tension en circuit ouvert(déficit en COV)Pour:Atteindre le plus hautCOV 1,23 V. pour1,536 eVPérovskite de Gap,COVPerte seulement0,306 VAtteindre les limites théoriques97,2%- Oui.

•Inhibition efficace de la recombinaison non radiative:

○ Efficacité quantique externe électroluminescente(EL-EQE)Considérablement augmenté à10,29%- Oui.

○Efficacité quantique photoluminescente(PLQY)Élevé à27,06%- Oui.

○Division des niveaux d'énergie quasi - Fermi(QFLS)Perte à partir de62 méVConsidérablement réduit34 méVConfirmé ultra basCOVLes pertes proviennent principalement de l'élimination de la recombinaison non radiative. La densité des pièges est considérablement réduite.

•Excellente stabilité opérationnelle à long terme: dans des conditions d'essai difficiles(ISOS-L-3 : MPP, 65 °C, 50 % RH)Réalisé plus de1200Heures deT92Durée de vie.

Figure 4e

Équipe de recherche

Cette publication dans les meilleures revues internationales Matériaux avancésL'étude, dont l'auteur correspondant estLee Gang de l'université polytechnique de Hong Kong(Gang Li), professeur etKuan Liu教授Et, etDe l 'université de Hong KongJinyao Tang教授- Oui.

Cette importante collaboration de recherche rassemble les forces académiques de l'université polytechnique de Hong Kong et de l'Université de Hong Kong, et combine des équipes de recherche de plusieurs unités académiques, notamment de l'Université chinoise de Hong Kong à Shenzhen et de l'Université chinoise de Hong Kong, pour mener une exploration approfondie et productive des principaux problèmes liés à l'amélioration des performances des cellules solaires à pérovskite.

Contexte de la recherche

•Tension en circuit ouvert(COV)Trop de pertes: malgré une efficacité accrue,PSCdeCOVToujours en retard par rapport aux limites théoriques.

•Perte composite non radiative aux interfaces critiques: Ceci est la causeCOVUne des principales causes de perte. En particulierdu SnO₂/Interface enterrée en pérovskiteSes défauts provoquent une recombinaison non radiative sévère.

•Défauts inhérents à l'interface enterréePour:du SnO₂Couche de transport électronique(ETL)Non - alignement de la surfaceSn2+ (Sn-OH)Peut former un piège peu profond, obstruant la pérovskite avecETLEfficacité de transmission électronique entre. Défauts de la pérovskite elle - même (par exemple, non coordonnéePb2+), c'est aussi le problème. Les défauts profonds sont plus le centre principal du complexe non radiatif.

•Les niveaux d'énergie de l'interface ne correspondent pasPour:du SnO₂Arrangement des niveaux d'énergie avec la pérovskite possible extraction électronique/Barrière d'énergie de transmission, non propice à la transmission efficace des porteurs.

•Limites de la passivation des interfaces traditionnelles: Bien que les modifications d'interface enterrées (telles que l'utilisation de couches monomoléculaires auto - assembléesSAMOu ponts moléculaires) sont considérés comme des stratégies synergiques pour résoudre les défauts, améliorer le contact d'interface et l'alignement des niveaux d'énergie, et certains résultats ont déjà été obtenus, mais il reste encore beaucoup de place pour une augmentation supplémentaire.COV- Oui.

•Négligence de l'arrangement moléculaire Interfacial et du rôle du modèle: les études antérieures sur les couches intercalaires interfaciales, moins axées sur l'agencement et l'orientation de ces couches moléculaires et leur rôle en tant que gabarit pour réguler la formation et la cristallisation de films minces de pérovskite, ont souvent été négligées.

•Défauts d'interface affectent la stabilité: le Centre composite et les défauts de l'interface accélèrent également la dégradation de la pérovskite sous pression de chaleur et d'humidité.

Figure 3d

La solution

L'équipe de recherche a développé et appliqué un« régulation des interfaces enterrées(BIM)« leLa stratégie, au cœur de laquelle:

1.Construction d'un gabarit d'entraînement cristallin en pérovskite: dansdu SnO₂Couche de transport électronique(ETL)Interface enterrée avec la couche de pérovskite, utilisant uneDérivés Phosphonates amphiphiles auto - assemblés(MeOBTBT-POEt) Matériaux, par solidification-Processus de changement de phase solide qui forme un gabarit supramoléculaire hautement orienté.

2.Rôle multifonctionnel des matériaux supramoléculaires: celui - ciMeOBTBT-POEtLes molécules jouent plusieurs rôles clés dans les interfaces:

○Induire une croissance cristalline préférentielle: le gabarit peut conduire la pérovskite préférentiellement le long(100)Direction cristalline Croissance vers le plan extérieur. C'est parce queMeOBTBT-POEtAvec(100)Les surfaces cristallines ont des interactions qui fournissent un entraînement thermodynamique.

○Optimisation de l'alignement des niveaux d'énergie et facilitation de l'extraction des porteurs: moment dipolaire de la molécule(1,89 D)Niveau d'énergie de l'interface de régulation, réduit l'extraction électronique/Barrière de transmission permettant un transfert plus efficace de l'énergie électronique de la pérovskite versdu SnO₂Les couches.

○Passivation active des défauts: contrairement aux méthodes traditionnelles de passivation passive,MeOBTBT-POEtPartie fonctionnalisée sur la structure moléculaire (groupes Phosphonates en particulier) ÉnergiePassivation « positive »du SnO₂Non - alignement de la surfaceSn2 +Défauts, et avec les défauts de la couche de pérovskite (tels que ceux qui ne sont pas coordonnésPb2+), une interaction chimique se produit, inhibant efficacement la perte composite non radiative de l'interface.

Figure 2c

Processus expérimental et étapes

1.Préparation de molécules spéciales: l'équipe de recherche a d'abord préparé une molécule spéciale dérivée de Phosphonate Amphiphile par une voie de synthèse chimique spécifique appeléeMeOBTBT-POEtCette molécule contient une forteBTBTNoyau et une queue alkyle flexible avec un groupe Phosphonate.

2.Rez - de - chausséedu SnO₂Préparation de la couche de transport électronique: utilisation de la rechercheFto /Le verre comme substrat. Dépôt d'une couche par spin Coating après un traitement de nettoyagedu SnO₂La solution. Par la suitedu SnO₂Le film est réalisé sous atmosphère ambiante200 °CTraitement de recuit.

3.MeOBTBT-POEtConstruction de la couche Template: sera recuit aprèsdu SnO₂ Le substrat est transféré à l'intérieur de la boîte à gants. Sera préparéMeOBTBT-POEtMolécules dissoutes dans le chlorobenzène(Chlorobenzène, CB)Dans le solvant. Cette molécule est utilisée dans la Perovskite enduite par rotation ultérieureDMF/DMSOTrès faible solubilité dans le solvant mixte, garantissant que les étapes ultérieures ne détruisent pas ce qui a été forméMeOBTBT-POEtLes couches. Par la suite, il seraMeOBTBT-POEtSolution enduite par rotation àdu SnO₂ Surface de la couche de transport électronique. Des études ont montré que cette molécule sur l'interfaceAuto - assemblageDe manière et parSolide-Processus de changement de phase solide, formant uneModèle supramoléculaire hautement ordonné. même à température ambiante, ses interactions intermoléculaires faibles favorisent la formation de structures ordonnées. Par chauffage (comme60 °C), peut accélérer ce processus de changement de phase.

4.Dépôt d'une couche de pérovskite avec cristallisation induite par le gabarit: préparation d'une solution précurseur de pérovskite de composition spécifique contenantFAIEt,MABrEt,MAClEt,du PbBr2Et,PbI2etCSI, dissous dansDMF/DMSODans un solvant mixte. Visser la solution de précurseur de pérovskite jusqu'à ce qu'elle ait été modifiéeMeOBTBT-POEtdedu SnO₂Sur le substrat. Après spin Coating, dans un environnement d'humidité contrôlée(20 %-30 % RH)Traitement de recuit inférieur(100 °C). Dans ce processus, il a été forméMeOBTBT-POEtLe modèle supramoléculaire servira de"Modèle d'entraînement cristallin pérovskite", induisant des cristaux de pérovskite selon une direction particulière(hautement préféré orienté vers le plan extérieur(100)Orientation cristalline)Croissance et cristallisation. Des études ont également observé,MeOBTBT-POEtMolécules etdu SnO₂Présence de surfaceInteractions chimiques, avec non coordonnéSn2 +Effectuer la coordination.

5.Dépôt de couches fonctionnelles ultérieures: après formation de la couche de pérovskite, l'échantillon est transféré dans la boîte à manchon. Enduction par rotation séquentielle de la couche de transport de trous(BABr)etspiro-OMeTAD)Et effectuer un recuit.

6.Préparation des électrodes métalliques: Enfin, par évaporation thermique, une couche est déposée80 nmÉLECTRODE d'or épaisse pour compléter la préparation du dispositif de batterie.

Figure 1b

Caractérisation des résultats de recherche

Efficacité quantique externe électroluminescente(EQEEL)Et fractionnement quasi - fermien(QFLS)Analyse

Utilisation par l'équipe de rechercheEnlitech LQ-100Système de mesure de rendement quantique photoluminescent, enregistre l'efficacité quantique externe de l'électroluminescence(EL EQE)Le spectre. Selon laJSCà la densité de courant injectéEQEELCalcul de la valeur causée par la recombinaison non radiativeCOVPertes. Selon le rendement quantique de photoluminescence(PLQY)Et tension de circuit ouvert limite de rayonnement(COV, rad)Analyse des échantillons semi - structuraux de pérovskiteQFLS- Oui.COV, radDu dispositifEQELes spectres sont calculés à l'aide d'un modèle d'équilibre détaillé.

FigureS27Pour:EQEELLa courbe.

Figure4dPour:PLQYvaleur

Figure4ePour:QFLSValeurs et ΔCOV,rad-QFLS)Valeur.

Après optimisationBIMDispositifsafficherEQEELSignificativement amélioré(10.29%)Beaucoup plus élevé que le dispositif de contrôle(2.73%). Ceci indique une perte composite non radiative(ΔCOV,nr = 58,8 mV)Significativement réduit, avecJ-VMesuréeCOVLes différences sont cohérentes. La demi - structure de pérovskite modifiée montre une plus hautePLQY(27,06% contre 9,09%)Ceci est essentiel pour atteindre des phototensions élevées.QFLSL'analyse montreBIMPerte d'énergie du dispositif Δ(COV, rad-QFLS)Réduction significative(de62mVà34 méV)- Oui.Ensemble, ces résultats montrent que l'ultra - faibleCOVLes pertes sont principalement attribuables àdu SnO₂Et élimination efficace de la recombinaison non radiative à l'interface enterrée de pérovskite- Oui.

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Densité de courant-tension(J-V)Courbe caractéristique et efficacité quantique externe(EQE)Le spectre

Utilisation par l'équipe de rechercheEnlitechdeSS-X AM1.5GSimulateur de lumière solaire standardeffectuerJ-VMesure de courbe, etQE-RSystème de mesure d'efficacité quantique, mesurer l'efficacité quantique externe(EQE)Le spectre. Utilisant un dispositif de mesure de la table sourceJ-VLa courbe. Un balayage avant et arrière est effectué pour évaluer les effets de retard. utiliserEQEDispositif de mesure du système dans300 à 850 nmRéponse spectrale dans la gamme de longueurs d'onde.

Figure4aPour:J-VLa courbe(Densité de courantcontretension) et- Oui.

Figure4bPour:EQELe spectre(EQE)pourcentagecontreLongueur d'onde) et- Oui.

table 1Pour:Tableau résumant les paramètres photovoltaïques.

ParMeOBTBT-POEtModifiéBIMLe dispositif a montré des performances photovoltaïques significativement supérieures à celles du dispositif de contrôle, se traduisant par une plus grandePCE (25,34 % contre 22,81 %)Et,COV (1.23V vs 1.197V)etFF(82,28% contre 75,99%)- Oui.JSCAvecEQELe résultat des points est cohérent.EQELe spectre reflète l'efficacité de la réponse du dispositif à différentes longueurs d'onde. Après optimisationBIMLe dispositif présente le plus petitJ-VEffet de retard. Ces graphiques et données sont la preuve d'une amélioration significative de l'efficacité de conversion du dispositif et d'une réduction par la modification d'interface enterréeCOVPreuve directe de perte.

XSpectromètre de diffraction de rayons(XRD)/Incidence rasante grand angleXDiffusion des rayons(GIWAXS)

SurveillanceMeOBTBT-POEtEvolution de la structure cristalline au cours du recuit thermique, analyseMeOBTBT-POEtDansdu SnO₂Caractéristiques cristallines et orientation sur, et analyse de l'orientation cristalline des films minces de pérovskite.Par de multiples techniques de caractérisation structurale,Équipe de rechercheConfirméMeOBTBT-POEtDansdu SnO₂/L'interface enterrée de la pérovskite peut former une structure cristalline spécifique et induire efficacement une croissance orientée préférentiellement de la pérovskite. (figure1b, diagramme2a, diagrammeS17) et

XSpectroscopie photoélectronique des rayons(XPS)

研究MeOBTBT-POEtAvecdu SnO₂Entre etMeOBTBT-POEtEnvironnement chimique et interaction avec la pérovskite, vérifier l'effet de passivation de l'interface.XPSLa synthèse des résultats confirmeMeOBTBT-POEtNon seulement avecdu SnO₂ L'action chimique se produit, également fortement coordonnée avec la couche de pérovskite, qui à son tourPassivation efficacedu SnO₂ Lacunes en oxygène et absence de coordination dans la pérovskitePb2+Les défauts.(Figure3a, b, c)

Spectroscopie photoélectronique ultraviolette(UPS)

Évaluation des interfaces sélectives électroniques(SnO)₂/Pérovskite) etStructure de bande d'énergie, mesuredu SnO₂Après retouchedu SnO₂Et la lettre de travail du film de pérovskite(Fonction de travail)Et position des niveaux d'énergie(Comme PRIX TOPEVBM,Bas de la bande de guidageBCM)- Oui.MeOBTBT-POEtModification par son moment dipolaire négatif vers l'intérieur, de sorte quedu SnO₂ La fonction de travail est décalée vers le haut,L'extraction et la transmission des électrons à l'interface sont grandement facilitées.(Figure3d, e)

Photoluminescence résolue dans le temps(trpl)

Étudier la dynamique de transfert de charge d'interface pour évaluer l'efficacité d'extraction de charge en mesurant la durée de vie des porteurs. Croissance dansMeOBTBT-POEtModifiédu SnO₂ Le film de pérovskite sur montre une durée de vie moyenne plus courte des porteurs(183,9 ns contre 381,7 ns), qui montreLes électrons de la couche de pérovskite versdu SnO₂ETLL'extraction et la transmission sont plus efficaces.(Figure3f)

Nanospectres de conductivité thermique(TAS)Et impulsion de tension espace limitant le courant(PV-SCLC)

Estimation quantitative de la densité d'état piège(Ntrap)Et sa distribution sur les niveaux d'énergie, l'évaluation de l'effet inhibiteur des modifications d'interface sur l'état défectueux. Résultats de caractérisation multiples, confirmés de manière cohérente MeOBTBT-POEtLa modification réduit efficacement la densité de l'état piège à l'interface(En particulier les défauts de niveau énergétique profond) etIl inhibe fortement la recombinaison non radiative.(Figure4f )

Test de stabilité opérationnelle à long terme

Vérification directe de la stabilité à long terme des cellules solaires en pérovskite modifiées par interface dans des environnements difficiles simulés.Dans les conditions d'essaiT92Durée de vie supérieure à 1200 Heures.(Figure4g)

conclusion

L'équipe de recherche a développé et appliqué avec succès une stratégie de régulation d'interface enterrée basée sur un modèle d'assemblage supramoléculaire, endu SnO₂ Couche de transport électronique(ETL)Introduction d'un dérivé Phosphonate Amphiphile entre la couche de pérovskiteMeOBTBT-POEt, améliore considérablement les performances et la stabilité à long terme des cellules solaires pérovskites.

1.MeOBTBT-POEtEvolution structurelle et rôle de modèle: résultats de l'étudeMeOBTBT-POEtLes molécules sont capables dedu SnO₂Surface par solidification-Changement de phase solide pour réaliser l'assemblage supramoléculaire, formantUne structure quasi - monocristalline ordonnée et dense. Ce processus d'auto - assemblage sert de modèle de cristallisation,Induction réussie des cristaux de pérovskite hautement préférentielle dans la direction extérieure(100)Croissance orientée, ce qui favorise le transport vertical des porteurs dans le dispositif.DFTConfirmation des calculsMeOBTBT-POEtAvec pérovskite(100)Interaction des surfaces cristallines, pour(100)La croissance orientée préférentiellement fournit un entraînement thermodynamique supplémentaire.

2.Passivation efficace des défauts d'interface:XPSLes résultats sont fortement prouvésMeOBTBT-POEtNon seulement le succès existe dansdu SnO₂La surface, aussiAvecdu SnO₂Et la couche de pérovskite ont eu un fort effet de coordination. Cette interaction passive efficacementdu SnO₂Espace vide d'oxygène dans(Se manifeste par inhibitionde Sn-OHLe pic) etEt non coordonné en pérovskitePb2+Et d'autres défauts intrinsèques, réduisant considérablement la densité des défauts d'interface.

3.Optimisation de la disposition des bandes d'énergie et extraction des porteurs favorisant:MeOBTBT-POEtLes molécules ont un moment dipolaire prononcé(1,89 D), dont le moment dipolaire négatif vers l'intérieur provoquedu SnO₂Décalage de la fonction vers le Haut(de4,16 eVDéplacer vers3,82 eV). Ce décalage de bande d'énergie réduit considérablement le pérovskite avecdu SnO₂ETLExtraction électronique entre/Barrière de transmission(de0,24 eVRéduit à-0,03 eV)，Facilite grandement le transfert et l'extraction d'électrons à l'interface- Oui.

4.Inhibition de la recombinaison non radiative et amélioration de la cinétique des porteurs:À traversSéquence principaleOn observe une diminution de la durée de vie des porteurs de film mince de pérovskite après modification(183,9 ns contre 381,7 ns), indique une amélioration de l'efficacité d'extraction électronique.TPVAffichage d'un temps d'atténuation de tension plus long,TPCUne plus grande collecte de porteurs non équilibrés et des temps d'atténuation du courant plus courts sont affichés, qui pointent tous vers un transfert efficace des porteurs à l'interface et moins de recombinaison assistée par piège.EQEELConsidérablement renforcée,PLQYUne augmentation substantielle,QFLSL'analyse montre une réduction significative des pertes d'énergie. caractérisation intégrée des défauts(SCLC)Et,TASEt,Mott-Schottky)Il a été confirmé que la densité de l'état piège, en particulier les défauts de niveau profond, diminuaient considérablement et que le potentiel intégré augmentait. CesPreuve cohérente des résultatsMeOBTBT-POEtLa modification inhibe fortement la recombinaison non radiative à l'interface- Oui.

5.Amélioration considérable des performances et de la stabilité du dispositif:Grâce à l'effet de régulation d'interface ci - dessus, l'utilisationMeOBTBT-POEtModification de l'interface enterréePSCRéalisé jusqu'à25,34%Efficacité de conversion photoélectrique(PCE), tension ouverte la plus élevée(COV)Atteint1,23 V,COVLes pertes sont uniquement0,306 VProche des limites théoriques97,2%En outre, cette stratégie améliore considérablement la stabilité à long terme du dispositif sous des contraintes combinées thermiques et humides sévères.(ISOS-L-3 : MPP, 65)°C, 50 % RH),T92Durée de vie supérieure à1200 Heures.

Référence de Advanced Materials - doi: 10.1002 / adma.202418011

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