Contexte et défis de la recherche

Pérovskite-Batterie solaire organique à changement de chaîne (POTSC), avec son avantage de réglabilité de bande, théoriquement équipé d'une batterie à simple face de rupturede Shockley-QueisserPotentiel de limites. Par rapport aux autres techniques de changement de chaîne,POTSCAvantages: les caractéristiques de filtrage ultraviolet de la couche de pérovskite améliorent la stabilité opérationnelle, la structure de film complet prend en charge la fabrication de rouleaux à rouleaux à haut rendement et peut être traitée sur un substrat flexible dans un environnement conventionnel, particulièrement adapté à l'intégration de bâtiments, à l'intégration de véhicules et à des applications telles que l'électronique ctriptable.

Cependant,POTSCLe développement est confronté à des goulets d’étranglement technologiques clés:Efficacité certifiée actuellement (24,7%) toujours inférieur à la batterie Perovskite à changement de chaîne complète (28,2%) et pérovskite- CIGSBatterie de changement de chaîne (24,2%) et. Le problème central qui cause cette chute d'efficacité estManque de photocourant proche infrarouge pour les cellules à fond organique à faible gapLes principales raisons incluent:

1. Pénurie de matériaux applicables: absence actuelle de récepteurs non fullerènes à Gap étroit à haute efficacité (NFA). actuelY6Gap optique du récepteur (~ 1,33 eV) gap idéal pour la configuration de changement de chaîne (~ 1,00 eV), reste sous - optimisé.

2. Puzzle d'adéquation des niveaux: traditionnel réduitNFALes stratégies de Gap (p. ex., allongement de la longueur de la conjugaison, intensification du transfert de charge intramoléculaire) ont tendance à conduire àHomoL'élévation excessive de l'ordre d'énergie entraîne une désadaptation de l'ordre d'énergie avec l'émetteur de polymère, ce qui affecte l'efficacité de dissociation de l'Exciton et limite la tension en circuit ouvert et la performance du facteur de remplissage.

Équipe de recherche et principaux résultats

Étude réalisée parHou Yi, Département de génie chimique et biomoléculaire, Université nationale de Singapour et Institut solaire de Singapour(Yi Hou)教授Leadership, résultats de recherche publiés dans les meilleures revuesLa nature« la.

L'équipe de recherche ciblePOTSCLe goulot d'étranglement de l'efficacité de base, proposant deux stratégies d'innovation clés:

Stratégie 1: améliorer les performances de la batterie à fond organique à faible gap L'équipe conçoit la synthèse d'un nouveau récepteur asymétrique non FullerèneP2EH-1V, avec conjugaison unilatéraleπLa stratégie Bridge réduit le GAP optique1,27 eVTout en maintenant la dissociation idéale des excitons avec la topographie de Naimi. Confirmé par spectroscopie d'absorption transitoire femtosecondePM6àP2EH-1VTransfert de trous à haute efficacité et l'utilisation de mesures d'efficacité quantique électroluminescente montre une perte de tension non radiative à partir de0,26 eVSignificativement réduit à0,20 eV- Oui.

Stratégie 2: optimiser l'interface de la batterie sur le pérovskite à large bande passante Développement de nouvelles couches monomoléculaires auto - assembléesBr-Ph-4PACzRégulation efficace des fonctions par substituants bromophényle etHomoOrdre d'énergie, améliore l'alignement avec la bande d'énergie de la pérovskite et réduit les pertes composites interfaciales. L'alignement des niveaux d'énergie a été évalué à l'aide de la spectroscopie photoélectronique ultraviolette et de la microscopie à force à sonde de Kelvin, et la réduction de la recombinaison non radiative et l'élévation de la tension intrinsèque ont été confirmées par des mesures de Photoluminescence à l'état stable et de division d'ordre quasi - fermien.

Résultats révolutionnaires: en combinaison avec la stratégie d'innovation décrite ci - dessus,POTSCEfficacité atteinte26,7%, certifié indépendamment par l'Institut des microsystèmes et des technologies de l'information de Shanghai en tant que26,4%, atteignant plus de3 cm²Du dispositif AreaRecords du monde- Oui.

Figure 4g

Étapes expérimentales et préparation du dispositif

Figure 4a

Cette étude s'appuie principalement sur deux stratégies principales,Conçu et préparéComposants clés de cellules solaires haute performance, ultimementintégrationUn record de pérovskite-Cellules solaires organiques à changement de chaîne. Voici les principales étapes et procédures expérimentales:

Stratégie de base de la recherche: l'étude expérimente principalement autour de deux goulots d'étranglement principaux: l'un est l'élévationBatterie à base organique à faible gapLe photocourant, deux solutionsBatterie sur Perovskite à large bande passanteProblèmes de perte de tension et de facteur de remplissage.

Matériaux innovants et préparation de batteries à fond organique à faible gap

• Nouveaux récepteurs asymétriques non fullerènes(NFA) P2EH-1VSynthèse réussie

• Équipe de rechercheConçu et synthétisé avec succèsUn nouveau type deRécepteurs asymétriques non fullerènesP2EH-1V- Oui.

• Ce matériau à traversConjugaison unilatéraleπStratégie du pont, permet de réduire le GAP optique à1,27 eV- Oui.

• Assemblage de dispositifs de cellules de batterie à fond organique à haut rendement

• Cellule solaire organique à jonction unique adopteITO/MoOx/PM6: NFA/PDINN/AgLa structure est préparée.

• Parmi eux,PM6En tant qu'implantEt,P2EH-1VComme récepteurLes deux 1: 1,2Mélange proportionnelEn solution chloroformique, la concentration totale est16 mg/ml- Oui.

• Appliquer la solution mélangée par rotation jusqu'àMoOxSur la couche, suivie d'un traitement de recuit thermique et enfin d'un dépôtPDINNetAgLes électrodes terminent la préparation.

Optimisation et préparation de l'interface des batteries sur pérovskite à large bande passante

• Nouvelle couche monomoléculaire auto - Assemblée(SAM) Br-Ph-4PACzLe développement de

• Équipe de rechercheDévelopper et synthétiserUn nouveau type deCouche monomoléculaire auto - AssembléeBr-Ph-4PACz- Oui.

• Ce matériau est introduit parSubstituant bromophényleVisant à réguler efficacement les fonctions etHomoOrdre d'énergie pour améliorer l'alignement avec la bande d'énergie de la pérovskite.

• Préparation de dispositifs de cellules de batterie sur pérovskite haute performance

• Cellule solaire Perovskite à large gap à jonction unique adoptéeOIT/SAM/Pérovskite/ C60 / BCP / AgLa structure est préparée.

• Tout d'abord, il y aura SAM (Br-Ph-4PACz)La solutionEnduit par rotation à motifsITOSur un substrat en verre et chauffé.

• Par la suite, il seraSolution précurseur de pérovskite de composition spécifique(Cs0.25FA0.75 Pb(Br0.4I0.6)3) Spin appliqué surSAMSur la couche, et un recuit est effectué pour former un film mince de pérovskite.

• Enfin, dépôt séquentielEDAI2La solution,C60Et,BCPetAgDes électrodes pour compléter le dispositif.

Pérovskite à haute efficacité énergétique-Intégration de cellules solaires à changement de chaîne organique

• Optimisation de la structure du dispositif à changement de chaîne et de la conception de la couche d'interconnexion

• La pérovskite finale-Les cellules solaires à changement de chaîne organiques ont adoptéverre/ITO/SAM/Pérovskite/ C 60 / SnOx / ITO / moox /Organique/ PDINN / AgArchitecture complète du dispositif.

• Couche d'interconnexion cléSitué entre la batterie sur pérovskite et la batterie à fond organique, composé deC60Dépôt de couche atomique(ALD)deSnOx, pulvérisationITOEt évaporé thermiquementMoOx Composition pour assurer un transport efficace des charges.

• La batterie supérieureÉpaisseur de la couche absorbanteOptimisé avec précision (pérovskite env.290 nm, couche organique environ110 nm), pour réaliser un équilibrage des densités de courant entre les deux sous - cellules.

Méthodes de caractérisation et résultats

Division d'ordre quasi - fermien(Split de niveau quasi-Fermi, QFLS)

ÉvaluationSAMPerte de tension à l'interface avec la pérovskite et effet inhibiteur de recombinaison non radiative,QFLSÉlever le dispositif de réflexion directeCOVPotentiel d'amélioration.

Obtenu par mesure de tension en circuit ouvert dépendante de l'intensitéQFLSL'analyse montre,Br-Ph-4PACzLes films de pérovskite traités présentent des effets d'optimisation d'interface remarquables.Br-Ph-4PACz/Tension de circuit ouvert proposée pour la pile de pérovskite(iVoc)Atteint1,38 V, nettement au - dessusLe Me-4PACzDe la pile pérovskite1,34 VL'ampleur de l'amélioration40 mV. Ce résultat confirmeBr-Ph-4PACzPar l'effet régulateur fonctionnel du substituant bromophényle, la réduction efficaceSAMDésadaptation de l'ordre d'énergie avec l'interface pérovskite, réduire la perte composite de l'interface, pour le dispositifCOVLe levage fournit un entraînement direct.

Figure3DAfficher une seule jonction Large Gap pérovskite cellules solaires en deux typesSAMSous traitementCOVComparaison de l'analyse des pertes.Br-Ph-4PACzL'échantillon montre plus hautQFLSValeur et perte de tension d'interface inférieure, présentation intuitive de la fonctionnalisation bromophényleSAMAvantages significatifs dans l'optimisation de l'ingénierie d'interface.

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courant électrique-tension(J-V)Mesure des courbes

Évaluer les performances de conversion photoélectrique des dispositifs à jonction unique et à changement de série, reflétant directement l'effet combiné de l'innovation matérielle et de l'optimisation de l'ingénierie du dispositif.

Simulation dans une boîte à gants remplie d'azote1sun AM 1.5GLumière(100 mW cm)^-2) etDispositifs de mesure inférieure de différentes zones(0,050 cm)²Avec1,019 cm²) etPerformance.

l PM6 : P2EH-1VCellules solaires organiquesMise en œuvre17,9 % de PCEPercer, montrer0,82 VTension de circuit ouvert,28,60 mA cm^-2Densité de courant de court - circuit élevée et76,5%Facteur de remplissage.

l Br-Ph-4PACzBatterie solaire pérovskiteAtteint20,4 % de PCE, avec1,37 VUltra haute tension ouverte avec85,5%Excellent facteur de remplissage.

l Pérovskite-Batterie solaire organique à changement de chaîneAtteindre un record26,7% PCE(COV: 2,14 V, JSC: 15,15 mA cm^-2FF : 82,4 %), dispositifs de grande surface(1,019 cm)²) etLe même maintien26,7 % de PCE- Oui.

Résultats de la certification indépendante de l'Institut des microsystèmes et des technologies de l'information de Shanghai26,4 % de PCE, le balayage positif et inverse est cohérent et aucun phénomène d'hystérésis apparent, a certifié la pérovskite à jonction unique de classe cm, la pérovskite- CIGSEt pérovskite-Batterie organique à changement de chaînePCERecord- Oui.

Figure4bAffichage des batteries organiques à jonction unique, des batteries de pérovskite et des batteries à changement de chaîneJ-VCombinaison de courbes, contraste clair des paramètres optoélectroniques des trois dispositifs, présentation intuitive des avantages significatifs de l'architecture de changement de série dans l'optimisation de l'addition de tension et de l'adaptation de courant.

Figure4eMontrer le SutraSimetCertifié3 cm²Batterie de changement de chaîneJ-VCourbes, scan positif et inversePCEToutes sont26,4%Vérifier la performance et la stabilité du dispositif dans des applications pratiques.

Efficacité quantique externe(Efficacité quantique externe, EQE)mesure

Évaluer dans quelle mesure la réponse spectrale de chaque sous - Cellule est adaptée au courant, en vérifiant que la synergie des sous - Cellules supérieures dans les cellules à changement de série est équilibrée avec le courant.

PM6 : P2EH-1VBatterie à fond organiqueEn raison deP2EH-1VCaractéristiques d'absorption par décalage vers le rouge du matériau,EQEDensité de courant intégrée atteint27,86 mA cm^-2, avecJ-VRésultats d'essai hautement compatibles(Erreur< 3%)- Oui.Pérovskite-Batterie organique de changement de chaîneEn, batterie sur pérovskite avec batterie à fond organiqueEQEpointsJSCRespectivement15,20 mA cm^-2Avec15,14 mA cm^-2. indique que la densité de courant entre les deux sous - batteries atteint une bonne correspondance et est la clé pour atteindre une batterie à changement de série à haut rendement.

Figure4dPérovskite-Perovskite et sous - batteries organiques dans les batteries à changement de chaîneEQECourbes et intégrationsJSC, montrant deux sous - batteries dans une batterie à changement de chaîneEQECourbes montrant clairement leur contribution à l'absorption de la lumière à différentes longueurs d'onde et l'équilibre de la densité de courant après intégration

Efficacité quantique électroluminescente(Efficacité quantique d'électroluminescence, EQEEL)mesure

Évaluer la perte d'énergie non radiative des cellules solaires organiques et le mécanisme de recombinaison, en utilisantEnlitech ELCT-3010(REPS)systèmeApplication d'une tension externe au dispositif/La source de courant effectue la mesure.

P2EH-1VLes matériaux récepteurs innovants montrent un effet inhibiteur non radiatif composite, avecP2EHComparaison des dispositifs de référence,P2EH-1VRéduction de la perte totale d'énergie du dispositif0,05 eV, résultant principalement d'une réduction significative de la perte d'énergie non radiative, à partir de0,26 eVConsidérablement amélioré à0,20 eV. Ce résultat confirmeP2EH-1VRéduire efficacement la densité des états défectueux et les voies composites non radiatives grâce à une conception optimisée de la structure moléculaire.

Figure2fAfficherPM6 : P2EHEt,PM6 : P2EH-1VAvecPM6 : P2EH-2VRésumé de l'analyse de la perte d'énergie des cellules solaires organiques, comparant clairement la perte d'énergie non radiative de différents matériaux récepteurs(ΔEnon-rad)Distribution, présentation intuitiveP2EH-1VAvantage significatif dans l'inhibition de la recombinaison non radiative.

Type sensibleEQE/Spectromètre photocourant à transformée de Fourier(EQE/FTPS sensible)

Évaluer les mécanismes détaillés de perte d'énergie des cellules solaires organiques, en utilisantEnlitech PECT-600 (FTPS)systèmeEnregistrement sensibleEQE, combiné avec électroluminescence(EL)Courbe réaliséegaussienAnalyse de l'ajustement.

FTPS-EQEAvecELLes résultats de l'ajustement de précision des courbes sont reconfirmésP2EH-1VPerformances du dispositif en termes d'inhibition des pertes d'énergie non radiatives. Le degré d'alignement des courbes reflète directement l'équilibre du processus de recombinaison radiatif et non radiatif du dispositif,P2EH-1VGrâce à une conception de structure électronique optimisée, les matériaux permettent un double effet de renforcement de la recombinaison radiative et de réduction des pertes non radiatives.

Figure2hAfficherPM6 : P2EH-1VDu dispositif de mélangeFTPS-EQEAvec courbe d'électroluminescencegaussienAjustement contrasté, haute cohérence des deux courbes avec alignement précis confirmé intuitivementP2EH-1VEfficacité dans la réduction de la perte d'énergie non radiative.

Autres caractérisations

Ultraviolet-Spectre visible(UV-Vis): caractérisation des propriétés d'absorption de la lumière des matériaux, évaluation de l'effet de régulation de l'entrefer.P2EH-1VAbsorption d'un Redshift prononcé d'environ80 nmLe gap optique diminue1,27 eVExtension de la plage d'absorption de la lumière proche infrarouge.(Figure1b)

Incidence rasante grand angleXDiffusion des rayons(GIWAXS): caractérisation du comportement cristallin du film mince avec l'orientation de l'accumulation moléculaire, évaluation des chemins de transport de charge. tousNFAToutes présentent une orientation préférentielle face orientée,PM6 : P2EH-1VLe film de mélange maintient une bonne accumulation ordonnée.(Figure1d)

Microscope à force atomique(AFM): Évaluer la morphologie et la rugosité de la surface du film, reflétant la qualité du film.Br-Ph-4PACzPellicule de pérovskite surface plus uniforme, rugosité réduite à18,9 nm, mieux queLe Me-4PACzde22,2 nm- Oui.(Figs.. 27)

Spectroscopie photoélectronique ultraviolette(UPS): Évaluer la fonction d'interface du matériau et l'alignement de l'ordre d'énergie, optimiser le transfert de charge d'interface.Br-Ph-4PACzIl y a des fonctions plus profondes alignées avec des bandes d'énergie plus favorables, réduisant la perte d'énergie de l'interface.(Figure3b)

Microscope de force de sonde de Kelvin(KPFM): quantificationSAMEffet de régulation de la fonction fonctionnelle, vérification de l'optimisation de l'ingénierie de l'interface.KPFMLes images confirmentBr-Ph-4PACzPeut réguler plus efficacementITODistribution des fonctions du substrat.(Figs.. 18)

Spectre de photoluminescence(PL)Et confocalePLMapping: Évaluer la perte composite non radiative avec l'uniformité du film, reflétant l'effet de passivation des défauts.Br-Ph-4PACzFilm de pérovskitePLCinq fois plus forte,PLQYde0,41%Augmentation significative1,82%- Oui.(Figure3c)

Spectre d'absorption transitoire(TA): Évaluer la dynamique de charge et le processus de transfert de trous, vérifier l'efficacité de dissociation des excitons.575 nmL'applicationGSBConfirmation cinétiqueP2EH-1VVersPM6Transfert de trous efficace.(Figure2d)

Probabilité de dissociation de charge(Pdiss)Analyse: Évaluer l'efficacité de production de charge excitonique photogénérée, quantifier la capacité de dissociation des excitons.PM6 : P2EH-1VDispositifsPdissDa96,1%Démontrer la probabilité de génération de charge.(Figure2e)

Spectre d'impédance(Impédance): Étude de la résistance composite de charge du dispositif, évaluation des caractéristiques de transport des porteurs.NyquisteLa figure montreP2EH-1VLe dispositif a une résistance Composite plus élevée et une perte de recombinaison de charge plus faible.(FigS. 14)

Photocourant transitoire(TPC)mesure: mesure de la durée de vie d'extraction des porteurs de charge, évaluation de l'efficacité de la collecte de charge.Br-Ph-4PACzDurée de vie de l'atténuation photoélectrique du dispositif réduite à0,73 μsAmélioration de l'efficacité d'extraction des porteurs.(Figure3f)

Mesure de l'angle de contact：研究SAMCaractéristiques de mouillage, évaluer l'uniformité de la couverture du film.Br-Ph-4PACzAngle de contact de base réduit10,4°Améliore la mouillabilité du précurseur de pérovskite et la couverture du film.(Figs.22)

Points de puissance maximale à long terme(MPP)Évaluation de la stabilité: Évaluer la stabilité de fonctionnement à long terme du dispositif et vérifier le potentiel d'utilité. Batterie à changement de chaîne encapsulée783Tenir après les heures80%Efficacité,Br-Ph-4PACzDispositifsT80Prolongée à550Heures.(Figure4h)

Microscope électronique à balayage de section(SEM): Visualisez la structure du dispositif à changement de chaîne avec l'épaisseur des couches, vérifiez la précision de la préparation. Affichage clair Perovskite après optimisation(~290 nm)Avec Organic(~110 nm)Couche absorbante et structure d'interconnexion multicouche.(Figure4 bis)

conclusion

Équipe de recherche en pérovskite-Des progrès révolutionnaires ont été réalisés dans le domaine des cellules solaires à changement de chaîne organiques, avec une efficacité et une stabilité record obtenues grâce à une stratégie de double innovation.

Percée technologique de base

Conception de matériaux innovants: développement de nouveaux récepteurs asymétriques non fullerènesP2EH-1V, par double liaison éthylène unidirectionnelleπLa stratégie Bridge réduit le GAP optique1,27 eV, le décalage vers le rouge du spectre d'absorption est d'environ80 nm, réaliser jusqu'à28,60 mA cm^-2Densité de courant de court - circuit. Efficacité de la batterie à fond organique jusqu'à17,9%Perte composite non radiative à partir de0,26 eVRéduit à0,20 eVProbabilité de dissociation de charge jusqu'à96,1%- Oui.

Optimisation de l'ingénierie d'interface: conception de couches monomoléculaires auto - assembléesBr-Ph-4PACz, par fonction de régulation du substituant bromobenzène et alignement de la bande d'énergie, de sorte que le film de pérovskitePLCinq fois plus forte,PLQYde0,41%Augmentation significative1,82%. efficacité de la batterie sur le pérovskite à large bande passante20,4%, avec1,37 VHaute tension ouverte et85,5%Facteur de remplissage.

Performance

Efficacité record: pérovskite-Réalisation de cellules solaires à changement de chaîne organique26,7 % de PCE, certifié indépendamment par l'Institut des microsystèmes et des technologies de l'information de Shanghai en tant que26,4%，Au - delà de toutes les pérovskites à jonction unique cotées en commun, les pérovskites actuellement signalées-Perovskite changement de chaîne et perovskite- CIGSRecord de batterie de changement de chaîne. pour 1 Dispositif de surface utile au carré de la partie commune, son efficacité de conversion de puissance stable(PCE)Peut atteindre26,5%

Excellente stabilité: batterie à changement de chaîne encapsulée dans des conditions environnementales(25°C, 85 %Humidité relative) etPar783heureMPPMaintenir après le suivi80%Efficacité initiale, nettement supérieure aux batteries organiques à jonction uniqueT80Uniquement180heure) et- Oui.Br-Ph-4PACzDispositifsT80Prolongée à550Heures, confirmant l'effet positif du filtre UV sur la stabilité à long terme de la couche de pérovskite.

Référence de la documentation de la page nature - doi: 10.1038 / s41586 - 025 - 09181 - X

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