Contexte et défis de la recherche

Ces dernières années, les cellules solaires en pérovskite(CSP)Couche monomoléculaire auto - Assemblée moyenne(SAM)La recherche appliquée a montré des différences significatives dans son mécanisme d'action par rapport aux principes traditionnels de conception dipolaire interfaciale, en particulier dansn-i-pUtilisé comme couche moléculaire de sélection électronique dans la structure(ESMLs)Quand. Cette déviation de la théorie conventionnelle a incité les chercheurs à réexaminerSAMLe mécanisme d'action pratique se manifeste principalement dans les trois domaines suivants:

1. Contradictions théoriques des principes de conceptionPour:p-i-nExtraction de trous électriques dans la structure couche monomoléculaire auto - Assemblée(HSSAM)L'utilisation d'unités à base d'aniline à propriétés électroniques, mais peut améliorer efficacement l'oxyde CONDUCTEUR TRANSPARENT(TCO)La fonction de travail, qui contredit la théorie traditionnelle selon laquelle les groupes électroattracteurs devraient améliorer la fonction de travail.

2. Importance du mécanisme de dopage de surface: les preuves expérimentales montrent,SAMLe rôle principal peut ne pas être limité à l'effet de dipôle d'interface, mais plutôt par la formation de régions enrichies ou manquantes en électrons sur la surface, similaires au « dopage de surface».(dopage de surface)Mécanisme facilitant ainsi l'extraction de porteurs spécifiques. Cela explique pourquoi enn-i-pDans la structure, manque de type électroniqueSAM(ESSAM)Peut être efficace comme couche de sélection électronique.

3. Problèmes de processus et d'uniformité structurellePour:PSCLes méthodes de spin Coating couramment utilisées en préparation sont difficiles à garantirSAMArrangement uniforme, l'étude a trouvéHSSAMPrésente souvent une couverture de surface inégale dans les applications pratiques, et forme même une structure multicouche plutôt qu'une couche monomoléculaire idéale, conduisant à une randomisation de l'orientation dipolaire qui s'écarte davantage de la traditionSAMLe concept.

Équipe de recherche et résultats de recherche ciblés

Cette étude a été réalisée parGAOPENG, Institut de structure de la matière du Fujian, Académie chinoise des sciences(Peng Gao)教授Leadership, thèse publiée dansJournal de la Société américaine de chimie (JACS)- Oui.

Adoption par l'équipe de recherche« ingénierie de surface électronique Collaborative »(Ingénierie de surface à déficit d'électrons synergique)Méthode, analyse systématique des matériaux électroniques manquants de différentes intensités, visant à résoudre les cellules solaires pérovskites(CSP)Couche monomoléculaire auto - Assemblée moyenne(SAM)Le problème des mécanismes d'action qui s'écartent des principes traditionnels de conception de dipôle d'interface. Ils ont spécifiquement étudiéCouche moléculaire à sélection électronique bifonctionnelle bipyridinyle(ESMLs)Et en plaçant un groupe acide carboxylique(Bpy-COOH)Remplacer parPartie cyanoacrylique à forte absorption d'électrons(Bpy-CAA) Pour ajuster la force d'absorption d'électrons de la molécule pour améliorer l'adsorption, l'extraction d'électrons et l'effet de passivation. L'étude révèleLes propriétés électroniques des molécules sont plus décisives pour une extraction électronique efficace que pour une orientation dipolaire.

Principaux résultats:

1. Développé efficaceBpy-CAAJonction simple de basePSCLe dispositif, réalisé 23,98%Efficacité de conversion de puissance(PCE)- Oui.

2. 3 cm² Grande surface den-i-p PSCLe dispositifPCEAtteint 21,63%Est actuellement utilisé organiqueESMLsUne des hautes performances.

3. MettreBpy-CAAcommeSnO2/Lorsqu'une couche d'interface de Perovskite est en contact, une seule jonctionPSC PCEAtteint 26,00%- Oui.

4. Application à la pérovskite à quatre extrémités/Cellules solaires en série au silicium(4T-P/STSCs)Lorsque, atteint un remarquable 30,83 % de PCE, classé comme rapporté4T-P/STSCsLa colonne haute efficacité(Figure 7Et,Tableau 1) et

Étapes et processus expérimentaux

Figure 4a

Préparation des matériaux et préparation des composants

1. Synthèse des matériaux

• Adopter la vente commercialeBpy-COOHmatériaux

• Par une étapeKnoevenagelSynthèse de la réaction de condensationBpy-CAA

2. Processus de préparation des cellules solaires

• Traitement du substratPour:Mise en œuvre libreSubstrat nettoyé par ultrasons(Nettoyant, eau désionisée, acétone, éthanol) etEt traitement des pâtes électriques

• Couche de transport électronique: spin Coating dilutionSnO2Solution colloïdale et recuit, formant environ35 nmCouche d'épaisseur

• Sélection électronique des couches moléculaires: enduit par rotation de différentes concentrationsBpy-COOHouBpy-CAASolution et traitement thermique

• Couche de pérovskite: spin Coating bande spécifique gap(1,57eV)ou1,53eV)Solution de précurseur de pérovskite, ajout d'anti - solvant dans le processus(Chlorobenzène ou acétate d'éthyle) etFavorise la cristallisation, traitement thermique ultérieur

• Couche de transport de trous: spin CoatingSpiro-OMeTADLa solution

• Préparation des électrodesPour:

• Batterie à jonction unique: argent plaqué à chaud(Ag)Comme électrode supérieure

• Batterie translucide avec quatre extrémités en série batterie supérieure: dépôt séquentielAu / MoO3Couche tampon,informationélectrodes transparentes,AgGrille, dernier ajoutMgF2Revêtement antireflet

3. Batterie inférieure à hétérojonction silicium(Pour construction en série à quatre extrémités) et

• Disque de silicium gravé pour former une texture pyramidale et nettoyé standard

• ParPECVDDépôt d'un film mince multicouche de silicium comme couche de passivation et de dopage

• Splash plaquéITOEt recuit, enfin cuit à la vapeurAgÉlectrodes

Évaluation de la stabilité

• Stabilité au stockage: composants non encapsulés placés à l'air ambiant(30%Humidité relative, température ambiante) et, surveiller les performances en cycle jour / nuit

• Stabilité opérationnelle: suivi des points de puissance maximale sous une lumière solaire constante(suivi MPP)

• Stabilité structurelle: pellicule de pérovskite vieillie à l'air ambiant, régulièrement réaliséeXRDMesure suivi des changements de structure cristalline

Figure 1c

Méthodes de caractérisation et résultats

Division des niveaux d'énergie quasi - Fermi(QFLS) /Tension implicite en circuit ouvert(iVOC)

QFLSMesure des électrons dans le dispositif-Le degré maximal de séparation d'énergie atteint par la paire de trous sous la lumière,QFLSEst selon le rendement quantique de photoluminescence(PLQY)Le résultat de la mesure est calculé, ce qui peut être considéré comme la tension maximale théorique en circuit ouvert(iVOC), il reflète directement l'ampleur de la perte composite non radiative. Les résultats de l'étude montrent,Bpy-CAACapable de minimiser efficacement les pertes composites non radiatives de l'interface.

FigureS36b: comparaison de composants semi - empilés sur différents substratsQFLSValeur. Comparé au film de pérovskite pur1,226 eV,Bpy-COOH/Des échantillons de pérovskiteQFLSSignificativement réduit à1,201 eV, etBpy-CAA/Les échantillons de minerai de titane et de calcium sont affichés comme1,216 eV. Cela montreBpy-CAAContribue à améliorer l'alignement des niveaux d'énergie et à passiver les défauts de surface de la pérovskite, minimisant ainsi les pertes composites non radiatives de l'interface.

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Efficacité de conversion de puissance(PCE)Avec Densité de courant-tension(J-V)La courbe

J-VLa courbe offre une efficacité de conversion de puissance(PCE), tension en circuit ouvert(Voc), densité de courant de court - circuit(Jsc)Et facteur de remplissage(FF)Etc. paramètres clés. Utilisation par l'équipe de rechercheEnlitech SS-XSimulateur de lumière solaire, SimulationAM 1.5G (100 mW/cm)²) etMesuré dans des conditions de lumière solaire.

1. Batterie solaire en pérovskite translucide supérieure(ST-PSC)Pour:En utilisationBpy-CAATraitéesSnO2Sous l'interface, implémenté 20,60%dePCE,Vocpour1,209 V,JSCpour20,85 mA/cm²,FFpour81,73%- Oui.

2. Hétérojonction silicium inférieure(SHJ)Cellules solaires:En passant par le HautST-PSCAprès filtrage, contribue encore 10,23%dePCE- Oui.

3. En général4T-P/STSCsPour:La somme de l'efficacité de la batterie supérieure et inférieure atteint 30,83%- Oui.

Figure7b: utilisé ou non affichéBpy-COOHetBpy-CAATraitéesSnO2deST-PSCdeJ-VLa courbe. Cette figure montre visuellementBpy-CAAAmélioration significative des performances des composants après traitement.

Figure7c: montréST-PSCDansMise en œuvre libreSous éclairage latéralJ-VLa courbe, et aprèsST-PSCCellules solaires en silicium filtréesJ-VLa courbe. Présenter les performances de chaque sous - batterie dans une batterie en série et finalement résumer30,83%Du totalPCE- Oui.

table 1: liste détaillée passée ou nonESMLsTraitéesSnO2La meilleure performance Broadband gapST-PSCEt Stack style4T-P/STSCsParamètres photovoltaïques

Efficacité quantique externe(EQE)

EQEOn a mesuré l'efficacité des cellules solaires à convertir les photons incidents en courants électroniques à différentes longueurs d'onde, dont les valeurs intégrées devraient êtreJ-VMesurée par la courbeJSCLes valeurs correspondent. Utilisation par l'équipe de rechercheEnlitech QE-RSystème de mesure d'efficacité quantique,Et l'intensité lumineuse de chaque longueur d'onde est calibrée avec une cellule solaire de référence en silicium monocristallin standard.

étudiéEQELes résultats confirmentST-PSCetSHJUtilisation efficace du spectre solaire par les sous - batteries et intégrationJSCValeur etJ-VLes mesures sont cohérentes.

FigureS40b: montréST-PSCBatterie supérieure et passéST-PSCFiltre silicium batterie inférieureEQELe spectre. La cellule supérieure absorbe principalement la lumière de longueur d'onde courte, tandis que la cellule inférieure utilise efficacement la lumière de longueur d'onde longue transmise, ce qui explique son efficacité élevée en série. Ses pointsJSCLes valeurs sont respectivement20,59 mA/cm²(Le top) etet18,47 mA/cm²(Le bas) et

Photoluminescence résolue dans le temps(trpl)

Séquence principalePour la mesure de porteurs photogénérés (électrons-La durée de vie des paires de trous) et la réduction de la durée de vie des porteurs indiquent généralement une extraction de charge plus efficace ou une recombinaison plus rapide.

Bpy-CAALes films de pérovskite traités ont une durée de vie des porteurs plus courte, ce qui indique une plus grande capacité d'extraction électronique.

FigureS35: montre le dépôt dans le verre,FTO/Bpy-COOHetFTO/Bpy-CAAFilm de pérovskite sur substratSéquence principaleCourbe d'atténuation. Cette tendance prouveBpy-CAALes capacités d'extraction et de transmission électroniques sont efficacement améliorées.

Spectre de réflexion transitoire(Spectroscopie TR)

TRSpectroscopie pour l'étudeESMLs/Dynamique des porteurs à l'interface pérovskite, en particulier à la profondeur de détection (environ20 nm), la durée de vie des porteurs à l'intérieur. Résultats avecSéquence principaleCohérent, tout prouvéBpy-CAAExcellentes caractéristiques d'extraction électronique.

Figure5a-c: présenté déposé sur différents substrats (FTO/Bpy-COOHetFTO/Bpy-CAA), film de pérovskite sur différentes longueurs d'onde de détection et de pompage-Carte pseudo - couleur bidimensionnelle des variations de réflectivité en temps de retard de détection. MontrerBpy-CAAAvec d'excellentes caractéristiques d'extraction électronique.

Mott-Schottky(Mott-Schottky)Figure

Pour l'étude de la force motrice des porteurs photogénérés et du potentiel intégré du dispositif(WBI). L'étude a révélé,Bpy-CAADu dispositifRapport de tensionDes valeurs plus élevées indiquent que l'alignement des bandes d'énergie est amélioré, favorisant la séparation des porteurs photogénérés.

Figure5d: indique que l'alignement de la bande d'énergie est amélioré, aide à inhiber la recombinaison non radiative et amélioreVoc- Oui.

Spectre de conductivité thermique(TAS)Densité avec l'état piège(tDOS)

TASPour la caractérisation des densités de défauts superficiels et profonds. Affichage des résultats,Bpy-CAADispositif à un niveau d'énergie peu profond (environ0,4 eV) à l'endroittDOSRéduction significative, attribuée àBpy-CAAEffet de passivation efficace de l'unité de passivation de base de Lewis moyenne.

Figure5e: montrant le dispositiftDOSEvolution.Bpy-CAADispositif à un niveau d'énergie peu profondtDOSDiminution significative, indiquant une inhibition efficace des défauts tels que les lacunes en iodure

Spectroscopie d'impédance électrochimique(EIS)

EISPour évaluationPSCCaractéristiques de transfert de charge, en particulier résistance composite de charge(RREC). L'étude a révélé,Bpy-CAADu dispositifLe RRECLes valeurs sont significativement plus élevées, ce qui indiqueBpy-CAA/Les pertes composites non radiatives à l'interface pérovskite sont réduites.

Figure5f: fortement prouvéBpy-CAA/Réduction des pertes composites non radiatives à l'interface pérovskite.

Fonction travail(Fonction de travail, WF)Changement de tonalité

WFLa mesure révèleESMLsComment influencerMise en œuvre libreFonction de travail du substrat, ce qui affecte l'efficacité de l'extraction électronique. Les études prouvent,Bpy-CAASignificativement réduitMise en œuvre libreFonction de travail, et présente plus uniformémentWFDistribution, ce qui favorise l'extraction électronique/Le transfert. La découverte clé est Les propriétés électroniques des molécules sont plus décisives pour une extraction électronique efficace que pour une orientation dipolaire- Oui.

Figure2a: montre nueMise en œuvre libreEt traités avec différents matériauxMise en œuvre libreDistribution des fonctions de travail. Comme on peut le voir,Bpy-CAAAprès le traitementMise en œuvre libreLa fonction de travail est décalée vers le bas et répartie plus uniformément.

Évaluation de la stabilité(Stabilité de stockage et de fonctionnement) et

Une étude complète de la stabilité du dispositif a été réalisée, y compris des tests de stabilité au stockage dans l'air ambiant et un suivi continu des points de puissance maximale.(suivi MPP). Affichage des résultats,Bpy-CAAL'appareil présente une stabilité à long terme et une stabilité opérationnelle.

Figure6d: non encapsulé montréPSCRésultats d'essais de stabilité pour un stockage à long terme dans l'air ambiant.Bpy-CAAStockage de l'appareil dans l'air 1000 Reste son initiale après les heuresPCEde91,2%, etBpy-COOHL'appareil ne maintient que63,4%- Oui.

FigureS43: l'encapsulation est affichéeST-PSCEt non encapsuléSiDans l'air ambiant (environ30%Humidité relative, température ambiante) réaliséeMPPRésultats suivis.Bpy-CAALe dispositif est en 500 Reste son initiale après les heuresPCEde95%Ci - dessus.

XDérivation des rayons(XRD)

XRDPour surveiller l'évolution cristalline et la stabilité structurale des films minces de pérovskite au cours du vieillissement. Les résultats montrent,Bpy-CAALa dégradation du film mince de pérovskite est atténuée efficacement et une meilleure intégrité de la structure cristalline est maintenue.

Figure6a, b: suivi à température ambiante et environ30%Vieilli sous humidité relativeBpy-COOHetBpy-CAAEvolution cristalline des films minces de pérovskiteXRDLe modèle. En comparaison,Bpy-CAAAprès l'exposition de l'échantillon à l'humidité et à l'oxygène, la Force des cristaux ne diminue que légèrement, soulignant son effet soulageant efficace.

Autres caractérisations

1. Résonance magnétique nucléaire et analyse par spectrométrie de masse(RMN et MS)Pour:Caractérisation des composés synthétiquesBpy-CAAPureté structurelle et exactitude,RMN 1HDans le spectre8,25 ppmLes bandes de résonance vinylique caractéristiques voisines sont conformes à la littérature.(FigureS6)

2. Analyse thermogravimétrique(TGA)Pour:évaluer la stabilité thermique du matériau,Bpy-CAAetBpy-COOHTempérature de décomposition respectivement d'environ200°Cet320°CBien au - dessusPSCTempérature de fonctionnement typique85°C- Oui.(FigureS8)

3. Ultraviolet-Taux de pénétration de la lumière visible(UV-Vis)Pour:AnalyseESMLsPropriétés optiques, deuxESMLsAbsorption négligeable dans la zone visible etMise en œuvre libreLa pénétration optique du substrat n'a pas d'effet significatif.(FigureS11)

4. Mesure de l'angle de contact(Angle de contact)Pour:ÉvaluationESMLsMouillabilité du substrat avec une solution de précurseur pérovskite après traitement,Bpy-CAAAfficher un angle de contact plus élevé26,2°Aide à former des grains plus gros.(Figure2d, e)

5. Microscope à force atomique(AFM)Pour:Analyse de la rugosité de surface du film etESMLsÉpaisseur, après traitementMise en œuvre libredeRMSUne rugosité réduite indique une amélioration du contact de l'interface.(FigureS13)

6. Calcul théorique de la fonction densité(DFT)Pour:Simulation du potentiel électrostatique et du moment dipolaire des électrons moléculaires, affichage calculéBpy-CAAA un moment dipolaire plus grand et une force d'adsorption nettement améliorée.(Figure2h)

7. Spectroscopie infrarouge de conversion de Fourier(FTIR)Pour:EnquêteESMLsInteraction avec la pérovskite,Bpy-CAAAu milieuC = OetC = NConfirmation du décalage de fréquence d'extensionPb2+Avec pyridineNInteractions de coordination atomique.(FigureS20)

8. XSpectroscopie photoélectronique des rayons(XPS)Pour:Recherche sur la pérovskite etESMLsInteractions électroniques,Pb 4fLe Mouvement du pic vers une énergie de liaison élevée indiquePbL'état d'oxydation est élevé etBpy-CAALe décalage est plus évident.(FigureS21)

9. Microscope électronique à balayage(SEM)Pour:Observer les caractéristiques morphologiques des films minces de pérovskite,FTO/Bpy-CAALe film montre une uniformité et une couverture complète, avec des grains plus gros et une surface lisse.(Figure3c, d)

conclusion

L'équipe de recherche se concentre sur le développement de nouvelles couches moléculaires à sélectivité électronique bifonctionnelle (ESMLs) pour augmenter les cellules solaires pérovskites (PSCEfficacité et stabilité)

Core Research découverte et conception des matériaux

•Briser la cognition traditionnelle: l'étude a révélé que la régulation des oxydes conducteurs transparents (TCO), lorsque la fonction travail,L'effet fort et faible de la modification de surface électronique manquante est bien meilleur que la direction traditionnelle du dipôle d'interface- Oui.

•Nouveau typeESMLs Bpy-CAALe développement de: par bipyridinyle bifonctionnelESMLs(Bpy-COOHLe Groupe acide carboxylique dans) est remplacé parGroupes cyanoacryliques avec une plus grande capacité d'absorption d'électrons (Bpy-CAA) etLe succès a amélioré ses performances.

•Caractéristiques à double fonctionPour:Bpy-CAAEn même temps avec des groupes d'acide carboxylique et chélatés atomes d'azote de base de Lewis, l'ancrage solide est prévuTCOSubstrat et passive efficacement les défauts pérovskites.

Bpy-CAAPrincipaux avantages et mécanismes:

•Renforcement de la régulation de la fonction travailPour:Bpy-CAARendre l'oxyde d'étain dopé au fluor (Mise en œuvre libre) Fonction travail à partir de4,74 eVPlus loin vers le bas4,48 eVEt la fonction de travail est répartie de manière plus uniforme (la variation de surface est0,05 eV), démontrant le rôle dominant du phénomène de surface déficiente en électrons.

•Excellente adsorption et qualité du filmPour:Bpy-CAAcontreMise en œuvre libreLa force d'adsorption de la surface est significativement améliorée (valeur d'énergie d'adsorption plus négative, jusqu'à-5,22 eVà-7,60 eV) et[1, 13, S18]Et réduitMise en œuvre libreRugosité de surface[14, S19], favorise le dépôt de films minces de pérovskite de haute qualité etCroissance des grains(angle de contact jusqu'à26,2°).

•Passivation efficace des défauts et transfert de chargePour:Bpy-CAAÀ travers etPbI2L'effet de coordination forte, passivant efficacement les défauts d'interface (tels que les lacunes d'iodure), réduit les défauts profonds et la teneur en plomb métallique. L'analyse électrique et spectrale confirme,Bpy-CAAAmélioration significative de l'efficacité d'extraction et de transmission des électrons, suppression des pertes composites non radiatives et amélioration de l'alignement de la bande d'énergie (potentiel intégré plus élevé, jusqu'à1,088 V).

Percée de performance de la cellule solaire pérovskite:

•Noeud uniquePSCefficacitéPour:Bpy-CAALe dispositif est implémentéJusqu'à23,98%Efficacité de conversion de puissance (PCE) et, au - delàBpy-COOHDispositifs (23,20%). C'est organiqueESMLsAppliqué àPSC n-i-pUne des hautes efficacités rapportées.

•Performance des dispositifs de grande surface: dans3 cm²Dispositifs de grande surfaceDans,Bpy-CAALe dispositif reste21,63%dePCE, est3 cm²PSC n-i-pUtilisation organiqueESMLsEfficacité rapportée.

•AvecSnO2CompositeESLIntégration de: seraBpy-CAAIntégration en tant que couche d'interface àSnO2/Pérovskite en contact, jonction uniquePSCdePCEAtteint26,00%- Oui.

•Pérovskite à quatre extrémités/Cellules solaires en série au silicium (4T-P/STSCs) et: Cette politique s'applique en outre à4T-P/STSCs, réalisé30,83%Efficacité deFigurant dans le rapport à ce jour4T-P/STSCsUne colonne de haute efficacité.

Amélioration de la stabilité du dispositif:

• Bpy-CAALe dispositif présente une stabilité à long terme dans l'air ambiant (humidité relative d'environ30%) déposé dans1000Après les heures, conserve encore son initialePCEde91,2%Beaucoup mieux queBpy-COOHDu dispositif63,4%. Ceci est attribué àBpy-CAAUne énergie d'adsorption plus forte à l'interface avec la pérovskite en présence d'eau et d'oxygène[30, S38], atténue efficacement la décomposition de la structure cristalline de pérovskite.

Référence: Journal of the American Chemical Society - doi: 10.1021 / jacs.5c07357

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