Contexte de recherche et points difficiles

Les cellules solaires en pérovskite, bien que se développant rapidement, sontLa tension en circuit ouvert reste significativement en retard par rapport à la théorieShockley-QueisserLimitesDevenir un goulot d'étranglement critique pour limiter l'amélioration de l'efficacité. Les principales causes de perte de tension sont:Inadéquation de la couche d'énergie et recombinaison non radiative excessive aux interfaces critiques. en particulier dans les structures traditionnelles,SnO2Absence de coordination de la surface de la couche de transport d'électronsSn2+ (Sn-OH)Formation de sites de piège peu profondsGravement nuire à l'efficacité de la transmission électronique. Ces défauts d'interface réduisent non seulement les performances du dispositif, mais accélèrent également la dégradation de la pérovskite dans des environnements chauds et humides, entraînant une stabilité opérationnelle insuffisante à long terme.

Équipe de recherche et résultats importants

Cette étude révolutionnaire a été réalisée parProfesseur Lee Gang, Université polytechnique de Hong Kong(Gang Li) Et,Kuan LiuProfesseur etJinyao Tang教授Co - dominé, avec l'Université des sciences et technologies de Hong Kong Guangzhou etMILES HKU-SIRICollaboration de chercheurs, publié dans des revues« deMatériaux avancésLe)，DansSnO2/L'interface enterrée pérovskite construit avec succès un dérivé Phosphonate Amphiphile auto - assemblé (MeOBTBT-POEt), comme modèle pour la conduite de cristallisation de pérovskite. leur approche innovante non seulementRégule avec précision la croissance des cristaux de pérovskiteTout en étant efficacePassive les défauts d'interface et optimise l'alignement des niveaux d'énergieFondamentalement résoluCOVLe problème des pertes.

Résumé des principaux résultats de la recherche

Rupture de performance du dispositif et perte de tension ultra - faible:L'équipe de recherche réussit à placer des cellules solaires en pérovskite(CSP)deTension en circuit ouvert augmentée à1,23 V, perte de tension seulement0,306 V，Atteindre les limites théoriques97,2%–C'est une valeur de perte extrêmement faible dans tous les systèmes de pérovskite. Le dispositif est implémenté25,34%Efficacité de conversion de puissance, testé par un simulateur de lumière solaire standard,J-VLa courbe n'a pas d'effet d'hystérésis significatif.

Stabilité à long terme:Dans des conditions d'essai sévères (65°C、50%Humidité relative),PSCdeT92Durée de vie supérieure à1200heure, améliore considérablement la stabilité de fonctionnement à long terme dans des environnements chauds et humides.

Contrôle précis de l'orientation cristalline:MeOBTBT-POEtLe gabarit forme une structure supramoléculaire hautement orientée par auto - assemblage,Induction de la formation de pérovskite hautement préférée(100)Direction cristalline- Oui.GIWAXSLes tests confirment cette orientation optimisée,DFTModèle d'affichage calculé et(100)Capacité de liaison cristalline jusqu'à-0,94 eV- Oui.

Passivation efficace des défauts d'interface et alignement des niveaux d'énergie:MeOBTBT-POEtMoléculesPassivation activeSnO2Lacunes en oxygène et en pérovskitePb2+Défauts, son moment dipolaire élevé(1,89 D)Alignement coordonné des niveaux d'énergie de l'interface pour extraire les électrons de la barrière0,24 eVRéduit à-0,03 eV- Oui.XPSLes résultats confirment une forte interaction de coordination,PV-SCLCMesure montrant la densité d'état piège à partir de1,02 × 10 ^ 16Réduit à0,66 × 10 ^ 16 cm ^ -3- Oui.

Optimisation de la dynamique des porteurs:Cette stratégie inhibe significativement la recombinaison non radiative, permettant une perte de tension ultra - faible. Les performances clés comprennent:

• Efficacité quantique externe électroluminescente(élections)de2,73%Élevé à10,29%, perte de tension non radiative à partir de93,1 mVRéduit à58,8 mV

• Rendement quantique en photoluminescence(PLQY)de9,09%Élevé à27,06%

• Division des niveaux d'énergie quasi - Fermi(QFLS)L'analyse montre la perte d'énergie de62 méVRéduit à34 méV

• Séquence principaleLes mesures confirment l'amélioration de l'efficacité d'extraction des électrons,TPV/TPCLa mesure confirme la réduction de la recombinaison des porteurs, l'amélioration de l'efficacité de transmission

Étapes et processus expérimentaux

Figure S1

1.Synthèse réussie de molécules régulatrices interfaciales clésMeOBTBT-POEt

L'équipe de recherche synthétise avec succès un dérivé Amphiphile de PhosphonateMeOBTBT-POEt, la molécule est composée de benzothiéno rigide[3,2-b]Benzothiophène(BTBT)Composition squelette et queue alkyle Phosphonate flexible avec d'excellentes caractéristiques d'auto - assemblage.

2.VérificationMeOBTBT-POEtCaractéristiques d'auto - assemblage et stabilité

Obtenu par évaporation de solvantMeOBTBT-POEtMonocristallin et analyse des données cristallographiques.Analyse thermogravimétrique(TGA)Évaluer la stabilité thermique，Calorimétrie différentielle à balayage(DSC)Vérification des caractéristiques d'assemblage supramoléculaire à température ambiante- Oui.In situXDiffraction des rayons(XRD)Le spectreLa surveillance de l'évolution de la structure cristalline du film au cours du recuit thermique confirme que la molécule peut s'assembler spontanément à température ambiante pour former un gabarit morphologique monocristallin bidimensionnel hautement ordonné.

3.Établir la base théorique de l'interaction moléculaire et plan cristallin pérovskite

UtilisationThéorie fonctionnelle de la densité(DFT)CalculÉvaluationMeOBTBT-POEtAvecFAPbI3Pérovskite dans différentes surfaces cristallines((100)、(110)、(111))Interaction, découvrez son lien avec(100)Les surfaces cristallines ont une interaction. parDFTCalculer le potentiel électrostatique(ESP)Évaluer les moments dipolaires moléculaires démontrant leur potentiel de modification interfaciale.

4.Préparation de haute performance pérovskite cellules solaires

Par standardn-i-pstructure(FTO/SnO2/MeOBTBT-POEt/Pérovskite/ spiro-OMeTAD / Au)Préparation du dispositif:

1. Substrats etSnO2 ETLPréparationPour:Mise en œuvre libreVerre propre et UV-Après traitement à l'ozone, enduction par rotationSnO2La solution,200°CRecuit60minute

2. MeOBTBT-POEtModification de l'interface: différentes concentrations dans la boîte à gantsMeOBTBT-POEtSolution de chlorobenzène enduite par rotation surSnO2 ETLhaut

3. Dépôt de couches de calcitonite: préparationCs0.03(FA0.97MA0.03)0.97Pb(I0.97Br0.03)3Solution de précurseurs(Avec gap~ 1,53 eV), après Spin - Coating dansHumidité contrôlée(20-30% RH)Dans l'environnement100°CRecuit60minute

4. HTLPréparation avec électrodes: enduit à tour de rôleBABretspiro-OMeTADLa solution,100°CRecuit10minute, dernier dépôt par évaporation thermique80 nmépaisAuÉlectrodes

Figure 1a

Caractérisation des manipulations et des résultats

Division des niveaux d'énergie quasi - Fermi(QFLS)Et efficacité quantique photoluminescente(PLQY)Caractérisation et résultats

PLQYEst un indicateur du comportement de la cellule solaire dans des conditions de circuit ouvert,PLEssentiel pour atteindre des phototensions plus élevées.QFLSAnalyse pour approfondir la recombinaison de charge etV_OCMécanisme de perte. mesureSnO2/Intensité photoluminescente de l'échantillon semi - empilé de pérovskite et selon la formuleQFLS = qV_OC, rad + k_BTln(PLQY)Calculer la Division de niveau quasi - Fermi. ParMeOBTBT-POEtModifiéSnO2/Échantillons semi - empilés de pérovskitePLQYAugmentation significative, à partir de9,09%Augmenté à27,06%. perte d'énergie correspondanteΔ(V_OC,rad - QFLS)de62 méVConsidérablement réduit à34 méV- Oui.QFLSL'analyse confirme,Ultra basV_OCLes pertes sont principalement attribuables àSnO2/Élimination efficace de la recombinaison non radiative à l'interface enterrée de pérovskite- Oui.

Figure4dMontrer avec ou sansMeOBTBT-POEtModifiéSnO2/Efficacité quantique photoluminescente des échantillons semi - empilés de pérovskite (PLQY).

Figure4eMontre le groupe témoin etBIMDivision quasi - Fermi des niveaux d'énergie des composants du Groupe (QFLS) Analyse des résultats.

tableS5RésuméV_OCAnalyse des pertes.

Technologie Light 焱 dernière publicationCarteur QFLSAnalyser la limite supérieure du potentiel des matériaux!

Enlitech QFLS-MaperLaissez - vousCompétitif1 / 5Avantage de coûtCapacité de cartographie de la distribution spatiale etQFLSTechniques d'imagerie, afficher clairement l'état de distribution spatiale des niveaux d'énergie quasi - Fermi, de sorte que la qualité du matériau est bonne ou mauvaise en un coup d'œil!

Suivez notre dynamique, soyez le premier à obtenirInformations techniques!

courant électrique-Tension (J-V) La courbe

Dans la normeAM 1,5 GSous éclairage, utilisationEnliTechdeSS-XSimulateur de lumière solaireEffectuer des mesures, effectuer des balayages avant et arrière(1.25à-0,2 V)Évaluer l'effet de retard, temps de retard100 ms, zone d'essai0,04 cm2- Oui.

Modifié par une interface enterrée(BIM)La performance de la cellule solaire pérovskite a été considérablement améliorée,Efficacité maximale de conversion de puissance jusqu'à25,34%, tension en circuit ouvert1,23 V, densité de courant de court - circuit25,10 mA cm^-2, facteur de remplissage82,28%. dispositifs de contrôlePCEpour22,81%, tension en circuit ouvert1,197 V, densité de courant de court - circuit25,08 mA cm^-2, facteur de remplissage75,99%- Oui.

Pour Band Gap1,536 eVDe pérovskite,Perte de tension seulement0,306 VAtteindre la théorieShockley-QueisserLa limite97,2%- Oui.J-VAffichage des mesuresAucun effet de retard significatif- Oui.

Figure4aPour:Groupe de contrôle montrant les meilleures performances (Contrôle), et la modification de l'interface enterrée (BIM) du composantJ-VLa courbe.

table1 Résumé de ses caractéristiques photovoltaïques.

Efficacité quantique externe (EQE) spectre

utiliserEnlitech QE-RsystèmeMesure des photons du dispositif à différentes longueurs d'onde-Efficacité de conversion électronique, adoption210 HzLumière monochromatique hachée, gamme de longueurs d'onde300 à 850 nm. La densité de courant de court - circuit reste constante à différentes concentrations environ25,1 mA cm^-2, avecEQEValeur d'intégration spectrale hautement anastomosée(Erreur< 1%). parEQEPremier calcul différentiel du spectreFABande interdite photovoltaïque de base pérovskite(E_gPV)Environ1,536 eV- Oui.

Figure4bMontre le groupe témoin etBIMComposants du GroupeEQELe spectre.

FigureS26Montre plus loinEQEUne première différenciation du spectre pour déterminer la bande interdite photovoltaïque.

Efficacité quantique externe électroluminescenteEQEEL

Cellule solaire de pérovskite quantifiée sous polarisation avant commeLEDPerte composite non radiative en fonctionnement, pour analyseV_OCMécanisme de perte. utiliserEnliTech LQ-100Système de mesure d'efficacité quantique photoluminescentEffectuer des mesures.BIMLes composants sont en25,1 mA cm^-2Sous courant injectéEQE_ELConsidérablement augmenté à10,29%Bien au - dessusDu groupe contrôle2,73%. correspondant àPerte composite non radiative à partir de93,1 mVConsidérablement réduit à58,8 mV, avecJ-VDans le testV_OCAméliorer les résultats cohérents, prouver la StratégieEfficacement inhibéSnO2/Recombinaison non radiative des interfaces enterrées en pérovskiteIl s'agit d'atteindre Ultra LowV_OCMécanisme clé des pertes.

FigureS27MontréEQE_ELEn fonction de la densité de courant injecté, pour le groupe témoin etBIMComposants du Groupe- Oui.

Test de stabilité opérationnelle à long terme (ISOS-L-3) et

Évaluer la stabilité opérationnelle à long terme des cellules solaires pérovskites sous contrainte thermique et hygrométrique et mesurer la viabilité commerciale du dispositif. ParBIMLes dispositifs traités sont65°Copération1228Après l'heure, reste initialPCEde92%Ci - dessusSignificativement mieux que le groupe témoin. Cette stabilité accrue est attribuée à l'élimination efficace des défauts superficiels et à la résistance à l'humidité.

Figure4GMontré dansISOS-L-3Groupe témoin sous conditions etBIMRésultats des tests de stabilité opérationnelle à long terme des composants du Groupe.

Autres caractérisations

• XSpectroscopie photoélectronique des rayons (XPS):研究du SnO₂Couche de transport électronique (ETL), et l'environnement chimique et l'interaction de l'interface enterrée entre la pérovskite.Confirmez que ouidu SnO₂Lacunes d'oxygène moyen et absence de coordination dans la pérovskitePb^{2Le +}Effet de passivation spontanée du défaut. (figure3 bisEt,bEt,c) et

•Spectroscopie photoélectronique ultraviolette (UPS):Évaluer la structure de bande d'énergie à l'interface de sélectivité électronique. ParMeOBTBT-POEtAprès la retouche,du SnO₂La fonction travail à partir de4,16 eVDéplacer vers le Haut3,82 eVLa barrière d'extraction électronique0,24 eVRéduit à-0,03 eV- Oui.(figure3DEt,e) et

•Photoluminescence résolue dans le temps (Séquence principale):Étudier la cinétique de transfert de charge interfaciale et l'efficacité d'extraction de la séparation de charge. Durée de vie des porteurs pérovskites après modification à partir de381,7 nsRaccourci à183,9 ns, confirmant l'efficacité accrue de l'extraction électronique.(figure3f) et

•Incidence rasante grand angleXDiffusion des rayons (GIWAXS):Analyse de l'orientation cristalline des films minces de pérovskite. Pérovskite après modification(100)Le plan cristallin est fortement concentré dans la direction hors plan pour une croissance orientée préférentiellement(figure2bEt,c) et

•Théorie fonctionnelle de la densité (DFT) calculé:Estimation de l'intensité des interactions moléculaires avec les différentes faces cristallines de la pérovskite.MeOBTBT-POEtAvec(100)Combinaison de surface cristalline(-0,94 eV)Le moment dipolaire moléculaire est1,89 D- Oui.(figure2dEt,e) et

• XDiffraction des rayons (XRD) spectres:Surveillance de l'évolution de la structure cristalline du film mince moléculaire et de l'orientation de la pérovskite. In situXRDConfirmation solide-Processus de changement de phase solide, après modification(100)/(111)Rapport d'intensité du Pic à partir de5.87Augmenter à8.65- Oui.(figure1b) et

•Microscope électronique à balayage (SEM):Observer les caractéristiques morphologiques des films minces de pérovskite. La grande taille du domaine cristallin de pérovskite après modification est attribuée au processus de cristallisation retardée de la surface hydrophobe.(figureS18) et

•Intensité lumineuse-Relation de tension en circuit ouvert:Déterminer le facteur idéal du dispositif et le mécanisme de recombinaison.BIMFacteur idéal du dispositif réduit1.12(groupe témoin1.38), le comportement de recombinaison de charge est plus proche de l'état idéal.(figureS29) et

•Tension optique transitoire/Photocourant (TPV/TPC):Révéler la dynamique de recombinaison et de transfert des porteurs.TPVTemps d'atténuation à partir de61,87 μsProlongée à133,34 μs,TPCTemps d'atténuation à partir de0,86 μsRaccourci à0,73 μs- Oui.(figureS30) et

•Tension d'impulsion-Courant de limitation de charge spatiale (PV-SCLC):Estimation de la densité de pièges électroniques dans la pérovskite. Densité d'état piège à partir de1,02 × 10¹⁶ en cm^-3Réduit à0,66 × 10¹⁶en cm^-3Réduit considérablement l'état de piège.(figureS31) et

•Mott-Analyse Schottky et nanospectres de conductivité thermique (TAS):Estimation quantitative de la distribution des niveaux d'énergie à l'état piège et de la tension intégrée. Tension intégrée à partir de1,06 VÉlevé à1,10 VLa densité d'état piège de niveau profond est réduite d'un ordre de grandeur.(figure4fEt,S32) et

conclusion

L'étude a été développée avec succèsStratégie de régulation des interfaces enterrées, en utilisant l'auto - assemblageDérivés amphotères de phosphateMeOBTBT-POEtDansdu SnO₂/L'interface pérovskite construit un gabarit d'entraînement cristallin qui améliore considérablement les performances de la cellule solaire pérovskite.

•Performance du dispositif:Équipe de recherche réalisation25,34%Efficacité de conversion de puissance et1,23 VTension en circuit ouvert, pour1,536 eVPérovskite avec Gap, perte de tension seulement0,306 V，Atteindre les limites théoriques97,2%- Oui.

•Régulation cristalline précise et optimisation des porteurs:Modèle supramoléculaire hautement directionnelInduction de la formation de pérovskite préférentielle(100)Orientation extérieure, favorise le transfert de charge vertical.MeOBTBT-POEtde1,89 DLe moment dipolaire harmonise l'alignement des niveaux d'énergie de l'interface,Barrière d'extraction électronique à partir de0,24 eVRéduit à-0,03 eVDurée de vie des porteurs à partir de381,7 nsRaccourci à183,9 ns- Oui.

•Passivation efficace des défauts d'interface: Cette stratégiePassivation activedu SnO₂Lacunes en oxygène et pérovskitePb^{2Le +}DéfautsInhibition significative de la recombinaison non radiative. Efficacité quantique externe électroluminescente à partir de2,73%Élevé à10,29%, Efficacité quantique photoluminescente à partir de9,09%Augmenter à27,06%Densité d'état piège à partir de1,02 × 10¹⁶Réduit à0,66 × 10¹⁶en cm^-3- Oui.

•Excellente stabilité à long terme:Dans la pression à chaud(65°C)Et humidité(50 % RH)Dans les conditions, le dispositifT₉₂Durée de vie supérieure à1200heure, attribué à l'élimination efficace des défauts et à l'excellente résistance à l'humidité.

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

Cet article a été réécrit pour enlitech photoform Technology pour la recherche scientifique académique partager s'il y a des violations s'il vous plaît écrivez - nous