Difficultés et défis de la recherche

Large espace d'énergie(Groupe de travail)Dans les sous - batteries, l'oxyde de nickel comme couche de transport de trous(NiOx)Avec couche monomoléculaire auto - Assemblée(SAM)Les problèmes de contact entre les interfaces limitent sérieusement l'efficacité et la stabilité du dispositif.

Les technologies existantes présentent les principaux défis suivants:

•NiOxProblèmes de corrosion:Traditionnellement largement utiliséSAMContenant par exemple de l'acide phosphorique(PA)Comme groupe d'ancrageSAM (PA-SAM), dontPlus acideFacilement corrosif chimiquement réactifNiOxCouche, peut endommagerNiOxL'intégrité et la fonctionnalité des couches, ce qui affaiblit la stabilité du dispositif.

•SAMProblèmes d'agrégation moléculaire et d'interfacePour: La traditionSAMMolécules enNiOxLa surface se produit facilementPhénomène d'agrégationUne filmification inégale peut provoquerPerte d'interface，Influence l'efficacité du transport des porteursEt crée une remarquableTension en circuit ouvert(COV)Les pertes.

Équipe de recherche et réalisations

Cette étude révolutionnaire sur les cellules solaires empilées à haute efficacité énergétique entièrement en pérovskite, réalisée parGe Ziyi et Liu Zheng, Institut de technologie et d'ingénierie des matériaux de Ningbo, Académie chinoise des sciencesTeam Leader, publié dans les meilleures revues scientifiques internationalesNature Communications- Oui.

L'équipe de recherche a réussi à développer un acide plus faibleFonctionnalisation de l'acide boriqueSAMNon seulementEfficacement inhibé laNiOxLa corrosionIl forme également une couche d'interface plus uniforme et plus forte, améliore considérablement l'efficacité des cellules solaires empilées entièrement en pérovskite et améliore considérablement la stabilité de fonctionnement à long terme du dispositif.

FigureS6: problème original résolu (corrosion)

Les principales réalisations de la recherche comprennent:

•RésoluNiOxProblèmes de corrosion:Développement réussiCouche monomoléculaire auto - Assemblée moins acide(SAM)Réduction significative de l'oxyde de nickel(NiOx)Corrosion de la couche de transport de trous, améliorant la stabilité de l'interface.

•AméliorationSAMQualité filmogène:Nouveau typeSAMMontre une force de liaison d'interface plus forte avec des caractéristiques de formation de film plus uniformes, surmontant efficacement la traditionSAMProblèmes d'agrégation facile des molécules, couverture inégale,Réduction des pertes d'interface- Oui.

•Optimisation de la qualité du film pérovskite:L'interface améliorée favorise une croissance plus uniforme des cristaux de pérovskite, réduit les défauts et inhibe efficacement la séparation de phase induite par la lumière, améliorant la qualité et la stabilité du film.

•Amélioration significative de l'efficacité du dispositif:Fente large à jonction unique(Groupe de travail)Efficacité de la Sous - batterie par18,9%Élevé à20,1%; cellules solaires empilées entièrement en pérovskite(CST)Efficacité plus atteinte28,5%- Oui.

•Amélioration substantielle de la stabilité opérationnelle:Les résultats de la recherche ont considérablement amélioré la stabilité du dispositif, piles empilées entièrement en pérovskite en lumière continue 500 Conserve son efficacité initiale après les heures90%- Oui.

Étapes et processus expérimentaux

Préparation de matériaux d'interface et de films: l'équipe de recherche prépare plusieurs couches monomoléculaires auto - assemblées(SAM)Matériaux, et enITODépôt séquentiel sur verre conducteurNiOxCouche etSAM, forméCette / niox / SamsStructure de film mince. Préparer la tradition en même tempsSAMmatériaux(CommeMe-4PACz)Comme groupe de contrôle. Une partie de l'échantillon a été préparée et lavée à l'éthanol pour éliminer les molécules résiduelles.

Faire une seule jonction Wide gap Solar Cell: préparéITO/NiOx/SAMFilm mince en tant que couche de transport de trous, dépôt de couche mince de pérovskite à large bande d'énergie par revêtement rotatif, dépôt de couche de transport d'électrons par ordre séquentiel(C60)Et,ALD SnO2)Et l'électrode d'argent, complète la fabrication de la batterie à large bande passante à jonction unique.

Fabrication de cellules solaires empilées entièrement en pérovskite: intégrer la Sous - batterie à large bande passante avec la Sous - batterie à faible bande passante en pérovskite pour construire une cellule solaire à double extrémité entièrement en pérovskite. La structure complète est:ITO/NiOx/SAM/Pérovskite à large bande passante/C60/SnO2/Au/PEDOT:PSS/Pérovskite à Gap étroit/ C60 / BCP / Ag- Oui.

Évaluer l'efficacité de la batterie: dans des conditions d'essai standard(1 soleil, 100 mW/cm2)Sous, mesurer le courant des cellules à jonction unique et empilées-Caractéristiques de la tension, évaluer les paramètres clés tels que l'efficacité de conversion photoélectrique, la tension de circuit ouvert, la densité de courant de court - circuit et le facteur de remplissage. Le suivi de la puissance de sortie en régime permanent et la mesure de l'efficacité quantique externe sont effectués de manière synchrone.

Effectuer des tests de stabilité: test de suivi de la lumière en continu du point de puissance maximal sur la batterie empilée après Encapsulation, en continu500Heures pour évaluer la stabilité opérationnelle à long terme. Effectuer en outre85℃Test de photovieillissement à haute température pour vérifier les performances de stabilisation thermique de la batterie.

Caractérisation des manipulations et des résultats

Division d'ordre quasi - fermien(QFLS)

Mesure de la tension théorique maximale en circuit ouvert du matériau à la lumière(iVOC)Un indicateur qui reflète directement l'ampleur des pertes composites non radiologiques. Une étude a révélé que le film de pérovskite pureQFLSPar comparaison, le contact avec la traditionLe Me-4PACzPérovskite de l'interfaceQFLSSignificativement réduit à1,296 eV, indiquantComposite d'interface sévère. utilisez le nouveau typeS-BA-SAMAprès le traitement,QFLSSeulement à partir de1,326 eVLégèrement réduit à1,322 eV, proche des valeurs de film pur, telles queFigure5f. preuve directeS-BA-SAMConsidérablement réduitNiOx/Perte composite non radiative à l'interface pérovskite- Oui.

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courant électrique-tension(J-V)Caractéristiques et sortie de puissance stable(SPO)test

Mesurer les performances de conversion photoélectrique des cellules solaires à la lumière standard et évaluer la stabilité du dispositif. Effectuer des normesJ-VTest à utiliser conformeAM1.5GSimulateur de lumière solaire pour la norme spectrale.EnlitechdeSS-XLes simulateurs de lumière solaire de série sont cités dans plusieurs documents et fournissent une lumière très précise et stable.

Figure6cMontrant la Sous - batterie et la batterie empilée finaleJ-VLa courbe. Après le nouveau typeS-BA-SAMAprès optimisation, large gap(Groupe de travail)Efficacité de la Sous - batterie du Groupe de contrôle18,9%Élevé à20,1%. La batterie empilée entièrement Perovskite Assemblée finale atteint le plus haut 28,5% Efficacité.

Figure6dLa courbe de sortie de puissance stable montre que le dispositif est en continu1 soleilSuivi de la lumière 500 Après les heures, l'efficacité initiale peut encore être maintenue90%Montre une excellente stabilité à long terme.

Efficacité quantique externe(EQE)

L'équipe de recherche a utiliséEnlitechdeREPSL'instrument de mesure a été effectuéEQEMesure, mesure de l'efficacité d'un dispositif de production de courant sous différentes longueurs d'onde de lumière, pour analyser la réponse du dispositif à différents spectres et calculer la densité de courant de court - circuit théorique(JSC), avecJ-VLes résultats des tests se valident mutuellement.

Figure6ePrésentant une batterie empilée entièrement pérovskiteEQERaies spectrales montrant les sous - cellules à large bande passante dans la région des longueurs d'onde courtes (environ300 à 750 nm), et un écart énergétique étroit(NBG)Sous - Cellules dans la zone de longueur d'onde longue (environ650 à 900 nm), Efficacité quantique effective. deEQESous - batterie résultant du calcul d'intégrationJSCvaleur(16.0et16,2 mA cm^-2) etAvecJ-VLes résultats des tests concordent bien et confirment la précision des données de performance.

Efficacité quantique photoluminescente(PLQY)

Reflétant l'efficacité de la recombinaison radiative du matériau ou du film mince, elle est négativement corrélée avec la perte de recombinaison non radiative.

FigureS54Pour:NiOx/Me-4PACz/Des échantillons de pérovskitePLQYSignificativement plus bas que le film de pérovskite pur, confirmé à nouveauComposite d'interface sévère. etNiOx/S-BA-SAM/Les échantillons de pérovskite montrent une plus grandePLQY (0,247 %), avecQFLSLes résultats sont cohérents,Prouver le nouveau typeSAMInhibition efficace de la composition d'interface- Oui.

Microscope à force atomique(KPFM)

Mesurer la différence de potentiel de surface(CPD)Analyse de l'arrangement des niveaux d'énergie, de l'uniformité et de la distribution des défauts des fonctions de travail et des interfaces des matériaux.

Figure1h-oPour:NiOx / SAMsurfaceKPFMImages etCPDAffichage de la carte de distribution,S-BA-SAMTraitéesNiOxsurfaceCPDDistribution plus étroite, indiquantSAMLes couches sont plus uniformes.

Figure4a-ePour:Interface enterrée en pérovskiteKPFML'analyse montre égalementS-BA-SAMInterfaces traitéesCPDDistributionFWHMPlus étroit et peu de changement de potentiel après photovieillissement, ce qui signifie que l'interface est plus uniforme et stable.

XSpectroscopie photoélectronique(XPS)

Analyse de la composition des éléments de surface et de l'état chimique des matériaux, en particulier pour la rechercheSAMAvecNiOxInteractions entre etNiOxChangements chimiques.

Figure1 grammePour:Ni 2p3/2 XPSAffichage des lignes spectrales,S-BA-SAMTraitéesNiOxComparer avecLe Me-4PACzLes pics traités sont décalés vers de faibles énergies de liaison, indiquantS-BA-SAMAvecNiOxIl y a un transfert de charge plus fort et des interactions entre eux.

Incidence d'angle rasantXDérivation des rayons(GIXRD) /Grand angleXDiffusion des rayons(GIWAXS)

Analyse de la structure cristalline, de l'orientation des grains et des contraintes du film mince.

Figure3i-kPour:GIWAXSLe spectrogramme montre que le film témoin présente une scission du pic de diffraction causée par la distorsion du réseau, alors queS-BA-SAMLe film n'a pas ce phénomène, indiquant moins de stress,S-BA-SAMFavorise la formation d'un meilleur film de pérovskite(100)Orientation, favorisant la transmission des porteurs.

Spectre d'émission d'électroplasme à couplage inductif(ICP-OES)

Mesure de la teneur en éléments métalliques dans la solution pour l'évaluationSAMcontreNiOxDegré de corrosion du film.

FigureS6: seraCe / nioxFilm trempé dans différentsSAMAprès la solution, utilisezS-BA-SAMTeneur en nickel libéré par le film dans lequel la solution est immergée(29 µg/L)Bien en dessous de l'utilisationLe Me-4PACzFilm de la solution(87 µg/L)Confirmation directe du nouveau typeS-BA-SAMSignificativement atténuéNiOxAction corrosive des couches.

Théorie fonctionnelle de la densité(DFT)Et dynamique moléculaire(MD)Simulation

Comprendre en profondeurSAMMolécules etNiOxLes mécanismes d'adsorption entre les surfaces, l'énergie de liaison, la répartition des charges, les niveaux d'énergie, etSAMComportement moléculaire pendant la formation.

Figure1a-fPour:DFTCalculé obtenuSAMMolécules enNiOxConfiguration d'adsorption, densité de charge différentielle et fonction locale électronique des surfaces (y compris les surfaces vides contenant de l'oxygène)(ELF)Fig. Les résultats des calculs montrentS-BAAvecNiOxIl y a une énergie de liaison plus forte entre, en particulier, la tête Benzothiophène etNiIl y a des interactions supplémentaires entre eux. FigureS1644deMDLa simulation montreSAMDistribution des molécules sur la surfaceHomogénéité, théoriquement soutenu nouveau typeSAMContribue à l'hypothèse d'un film homogène.

Autres caractérisations

•Microscope électronique à balayage(SEM)Pour: Observez la topographie de la surface du film et de la Section du dispositif, évaluez la taille des grains, la forme, les défauts et les changements topographiques après vieillissement.(figure6b, diagramme3e-h) et

•Distribution de photoluminescence(Cartographie PL)Pour: Fournir des filmsPLDistribution spatiale de la force, affichage visuel de l'uniformité du film et des zones défectueuses.(comme illustréS50) et

•Photoluminescence résolue dans le temps(trpl)Pour: Durée de vie des porteurs générés par photométrie, reflétant le taux de recombinaison de la phase de volume ou de l'interface.S-BA-SAMPlus longue durée de vie des porteurs de film traités- Oui.(figure5j) et

•Spectroscopie photoélectronique ultraviolette(UPS)Pour: Déterminer la fonction de travail et la position des niveaux d'énergie d'un matériau aide à construire un diagramme des niveaux d'énergie et à comprendre le transport de charge.(figure4f) et

•Courant de limitation de charge spatiale(SCLC)Analyse: évaluer la mobilité et la densité des porteurs de la couche de transport de trous,S-BA-SAMLa densité des trous diminue après le traitement.(figureS39) et

•Spectre d'impédance électrochimique(EIS)Pour: Analyser le transfert de charge et l'impédance composite à l'intérieur du dispositif.S-BA-SAMLe dispositif présente une impédance Composite plus élevée.(figure5i) et

•Mesure de l'angle de contact: Évaluation du précurseur pérovskite enSAMMouillabilité de la surface traitée, affectant la nucléation et la croissance du film.(figureS34) et

•In situ(In situ) UV-VisSpectre d'absorption etPLLe spectre: Surveillance de la cinétique de nucléation et de cristallisation des films minces de pérovskite pendant le spin Coating(figure2b, c) et- Oui.

•Temps de vol spectrométrie de masse des ions secondaires(TOF-SIMS)Pour: Analyse de la distribution en profondeur de chaque élément dans la structure du dispositif pour étudier la migration des éléments au cours du photovieillissement.(figureS33) et

•Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier(FTIR)Pour: AnalyseSAMMolécules et précurseurs de pérovskiteFAIInteractions entre molécules(comme illustré2a) et- Oui.

conclusion

L'équipe de recherche a développé uneNouvelle couche monomoléculaire auto - Assemblée fonctionnalisée acide borique faiblement acide(S-BA-SAM), pour la modification des cellules solaires empilées entièrement en pérovskite de cellules à fente largeNiOxInterface de couche de transport de trou électrique.

Les principaux résultats de recherche sont les suivants:

Amélioration de la stabilité de l'interfacePour:S-BA-SAMAvecNiOxFormer un lien solide, efficaceInhibitionNiOxCorrosion, meilleure performance que la base phosphate traditionnelleSAMEt de promouvoir dansNiOxDe surfaceFormation uniforme de filmAméliorer la morphologie et la couverture de l'interface.

Optimisation de la qualité du film:Modification de l'interface optimise considérablement le processus de cristallisation du film mince de pérovskite, favoriseDistribution homogène des halogénuresetInhibition de la séparation photophotographiqueAméliore considérablement la qualité du film et la stabilité de la lumière.

Amélioration du transport des porteurs:Les caractéristiques d'interface optimisées accélèrent la transmission des porteurs,Réduction des pertes composites non radiativesProlonge efficacement la durée de vie des porteurs.

Amélioration significative de l'efficacité:Batterie à jonction unique à large bande passante avec couche d'interface optimisée, efficacité de conversion photoélectrique à partir de18,9%Élevé à20,1%. Les cellules solaires empilées à deux extrémités après intégration sont plus créatives28,5 % de PCEUn excellent record- Oui.

Stabilité à long terme:Grâce au WIDE gapde la batterieAmélioration, empilement de couchesAffichage du dispositifStabilité opérationnelle, dans1 soleilSuivi des points de puissance maximale500Après les heures,Maintien de l'efficacité initiale90%Ci - dessus- Oui.

Référence bibliographique de nature communications - doi: 10.1038 / s41467 - 025 - 59515 - 6

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