Réalisations en recherche et points de vue

ParL'équipe du professeur Wei Xian painting de l'Université d'outre - merLeadership, publié dans top issueNature CommunicationsLe), le sujet de l'article est« deMembrane polymère ultrafine pour une meilleure extraction des trous et le blocage des ions dans les cellules solaires de perovskite« la.

Efficacité énergétique actuellen-i-pType de cellule solaire pérovskiteLongue durée de vie opérationnelle limitéeLe problème, qui provient principalement de la pérovskite avec la couche dopée de transport de trous électriques (HTL) en hétérojonctionDiffusion ioniqueCela conduit àHTLChute de conductivité électrique et perte de composants pérovskites. Pour relever ce défi crucial, l'équipe de professeur Wei Xian PaintingDéveloppé et étudié un ultra - mince (environ7De Naimi)pCouche intermédiaire de polymère de type (D18) et- Oui.

•D18La couche intermédiaire ultra - mince inhibe efficacement la diffusion des ions lithium, méthylammonium, FORMAMIDINE et iode entre les couches- Oui.

•D18Pérovskite améliorée/ HTLArrangement des bandes d'énergie de l'interface, facilitant une extraction plus efficace des trous électriques- Oui.

•La cellule solaire pérovskite basée sur cette conception innovante a obtenuJusqu'à26,39%(certifié comme26,17%) Efficacité de conversion de puissance(dispositifs de petite surface) et25,02%Efficacité (dispositifs de grande surface)- Oui.

•Le dispositif fonctionne en continu sous le suivi du point de puissance maximale 1100 Après des heures, toujoursL'efficacité initiale est maintenue95,4%Montre une amélioration significative de la stabilité.

•parQFLS(Division de niveau quasi - Fermi) Analyse, confirméCOVL'élévation est attribuée non seulement à la réduction de la recombinaison non radiative, mais aussi àD18Optimisation de la disposition des bandes d'énergie par la couche intermédiaire.

Équipe de recherche

L'équipe de recherche provient principalement deUniversité des Chinois d'outre - mer，Peinture de WeietMerci fort.Le professeur est commun à cette étudeAuteur correspondantEt avec l'Université de la ville de Hong KongC'est Alex. K.-Y. JenDes chercheurs comme des professeurs travaillent ensemble.

Contexte de la recherche

Dans le domaine des cellules solaires en pérovskite, en particulier à haute efficacité énergétiquen-i-pSur le plan structurel, des difficultés et des défis importants se posent:

•Durée de vie opérationnelle limitée: haute efficacitén-i-pLes cellules solaires en pérovskite, bien qu'ayant une efficacité, maisLa durée de vie opérationnelle est relativement limitée, pas aussip-i-nType de batterie stable.

•Pérovskite et couche de transport de trous électriques (HTL), présence de diffusion ionique entre, résultant enHTLChute de conductivité électrique et perte de composants pérovskites.

•Couramment utiliséHTLmatériaux Spiro-OMeTADStructure moelleuse et épaisse, facile à se produirePerte de dopantEtCapacité insuffisante de blocage des ions- Oui.

•Pour améliorer la stabilitéremplacerSpiro-OMeTADPeut entraîner une diminution significative de l'efficacité.

•Le matériau pérovskite lui - même aCaractéristiques de liaison ionique, réseau plus doux, migration ionique facileCorrosion à son tourHTLEt des électrodes.

•Matériaux d'interface existants enDifficile à concilier entre l'inhibition de l'interdiffusion ionique et le maintien d'une extraction par trou électrique efficace- Oui.

La méthode de résolution

Contre ceux mentionnés précédemmentn-i-pLes difficultés et les défis rencontrés par les cellules solaires en pérovskite ont été présentés pourInsérer ultra mincepCouche intermédiaire de polymère de type (D18) etSolutions pour le cœur. L'accent est principalement mis sur les aspects suivants:

•Construction de la barrière ionique:利用D18Polymère dans la couche de pérovskite et la couche de transport de trous électriques (HTL, principalementSpiro-OMeTAD) entre former unUltra mince (environ7NEMI) et une membrane dense- Oui.D18Structure moléculaire particulière des polymères, en particulier leurDTBT anneau fusionnéLa force formée par les unitésπ–πLa pile, contribue à la formation d'un film plus serré, de sorte queBloque efficacement les ions (tels que les ions lithium, méthylammonium, FORMAMIDINE et iode) dans la pérovskiteHTLLa prolifération. Cette action de blocage peut protégerHTLProtégé de la corrosion ionique, il peut également réduire la perte de composants pérovskites, améliorant ainsi la stabilité du dispositif.

•Optimisation de l'arrangement des niveaux d'énergie de l'interface:Outre la fonction de blocage des ions,D18La couche intermédiaire est également conçue pour pouvoirAméliorer la pérovskite etHTLArrangement des niveaux d'énergie entre. L'étude a révélé,D18Le niveau d'énergie avec la pérovskite adjacente etSpiro-OMeTADIl y a une meilleure adéquation entre les deux. Par IntroductionD18, peutRéduit la perte d'énergie à l'interface et favorise une extraction plus efficace des trous électriques- Oui.

•Avec le processus de thermospin Coating:Pour assurerD18De la couche intermédiaireCompacité et couverture uniformeL'équipe de recherche adopteProcessus de revêtement par rotation thermiquePour déposerD18Le film. Cette méthode permet de former un meilleur contact Interfacial, d'améliorer l'effet de blocage des ions et l'efficacité de transmission des trous électriques.

•vérificationD18Pour:L'équipe de recherche a démontré expérimentalement,D18DansCapacité d'inhibition de la diffusion ionique nettement supérieure à celle des polymères couramment utilisésHTLMatériaux tels queP3HTetPTAA. Ceci est attribué àD18Interactions intermoléculaires plus fortes, ce qui lui permet de former un film plus dense.

Processus expérimental et étapes

•Préparation des matériaux:

○Équipe de recherchesynthèseComme matériau clé de la couche intermédiaireD18Polymères

○PréparationD'autres matériaux nécessaires dans les cellules solaires pérovskites, tels que les sels d'étain (pourSnO2Couche de transport électronique), iodure de plomb (PbI2), ainsi que divers sels organiques (pour la formation de pérovskite).

○FormuléDifférentes concentrations deD18Solution pour le dépôt ultérieur du film.

•Préparation du dispositif:

1. D'abord dansMise en œuvre libreDépôt sur substrat en verreSnO2Couche de transport électronique

2. À traversMéthode de solution en deux étapesDansSnO2Sur le niveauPréparation d'un film de pérovskiteEt utiliserOAIEffectuer un traitement de passivation de surface- Oui.

3. Pour introduireD18Niveau intermédiaire, les chercheurs serontChaudD18Solution enduite par rotation sur film de pérovskite après Passivation. Ils ont trouvéUtilisation d'un revêtement thermorotatif ainsi que d'une concentration appropriée deD18La solution pour former dense et homogèneD18La couche intermédiaire est très importante. Ils ont observé que différents poids moléculairesD18Il y avait des différences dans la solubilité et la filmogénicité, et finalement choisiD18-M(poids moléculaire moyen) Comme matériau d'interface principal. Ils ont également découvert queD18L'agglomération se produit facilement sur les films froids de pérovskite enduits par rotation.

4. DansD18Sur le niveauSpin CoatingSpiro-OMeTADCouche de transport de trous électriques- Oui.

5. Plaqué or ou argent à la vapeurDes électrodes, complétant la préparation du dispositif de cellule solaire.

•Étude de l'effet de blocage des ions:

○ pour vérificationD18Capacité de blocage des ions, les chercheurs ont conçu une expérience, l'observation du PbBr2etFAILa réaction- Oui.

○Ils sont d'abord sur un substrat de verreDépôtdu PbBr2Film mince- Oui.

○Puis, dans la partiedu PbBr2Sur le filmEnduit par rotation de différentes concentrations deD18Et,P3HTetPTAAFilm polymèreComme un contraste.

○Ensuite, dans ces matériaux recouverts de différentsdu PbBr2Sur le filmSpin CoatingFAILa solutionObservez si un changement de couleur se produit. La couverture observéeD18dedu PbBr2Le film est enFAIAprès spin CoatingPas de changement de couleur visible, indiquantD18Bloque efficacement la diffusion ionique. En revanche, des concentrations plus élevées sont nécessairesP3HTetPTAAPour obtenir un effet de blocage similaire.

○Les chercheurs utilisent égalementXDérivation des rayons(XRD)La technologie a analysé les changements de structure cristalline de ces films minces, confirmant davantageD18Peut bloquer à une certaine concentrationdu PbBr2etFAIRéactions entre. Ils ont également étudié sous contrainte thermiqueD18Capacité de blocage des différents ions.

•D18Analyse des caractéristiques du film:

○utiliserMicroscope électronique à balayage(SEM)ObservéD18Couverture de la surface de pérovskite, confirmant qu'il peut être obtenu par thermospinHomogène et denseD18Film mince- Oui.

○utiliserMicroscope électronique à pénétration haute résolution(HRTEM)MesuréD18L'épaisseur de la couche intermédiaire est d'environ7NaimiEt observéD18Contact étroit avec les grains de pérovskite et les joints de grains. Ils ont également confirmé dans le suiviSpiroLors du dépôt, ultra - minceD18La couche intermédiaire ne sera pas détruite.

○À travers Microscope à potentiel de surface(KPFM) La distribution du potentiel de surface de la pérovskite a été analysée etD18Peut être formé avec la surface de pérovskiteContact uniforme- Oui.

Résultats de recherche et caractérisation

Division des niveaux d'énergie quasi - Fermi(Split de niveau quasi-Fermi, QFLS)Avec tension en circuit ouvert(Voc)

Évaluer les pertes composites non radiologiques et comprendreD18Influence de la couche intermédiaire sur la tension en circuit ouvert.

Image3DLe Groupe de contrôle etD18Mesure des dispositifs de groupeVocetQFLS. Le Groupe de contrôle est présenté (Contrôle) etD18Tension en circuit ouvert des dispositifs du Groupe (COV), et selon l'efficacité quantique de Photoluminescence (PLQY) fractionnement calculé des niveaux quasi - Fermi (QFLS).D18Du dispositif de groupeQFLSValeur améliorée par rapport au Groupe de contrôle20 méV, ceci avecMesuréeCOVAmélioré33 mV Correspondant. Cela montreCOVL'élévation est attribuée non seulement à la réduction des pertes composites non radiatives, mais aussi àArrangement amélioré des niveaux d'énergie d'interfaceLiés.

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2. Densité de courant-tension(J-V)courbe

L'équipe de recherche a utiliséEnliTechdeAAASimulateur de lumière solaireSS-XEffectuer J-VMesure de la courbe,Évaluer les paramètres de performance de base des cellules solaires

Image4aGroupes de contrôle comparés etD18Groupe de petites cellules solaires de pérovskiteJ-VCourbes, y compris le balayage inverse et le balayage avant. IntroductionD18Après la couche intermédiaire, le meilleurD18Le dispositif de petite zone de groupe est mis en œuvre 26,39%(balayage inverse) et26,12%Efficacité de conversion de puissance (balayage avant), facteur de remplissage à partir de80,37%Augmenté à83,92%, tension en circuit ouvert à partir de1.152 VAugmenté à1.185 V，L'efficacité globale est ainsi améliorée.

•Image4cGrande surface affichée(1 cm2)De la cellule solaire pérovskiteJ-VCourbe, comparant également le Groupe de contrôle etD18Le Groupe. Même sur de grandes surfaces, utilisezD18Les dispositifs de la couche intermédiaire présentent encore un rendement élevé.

3. Efficacité quantique externe(Efficacité quantique externe, EQE)

Utilisation par l'équipe de rechercheEnliTechdeEQEsystèmeQE-R，Mesure de la réponse des cellules solaires à différentes longueurs d'onde de lumière et calcul intégral de la densité de courant de court - circuit(Jsc)- Oui.

ImageS 23Pour:Groupes de contrôle comparésD18Efficacité quantique externe du Groupe pérovskite cellules solaires (EQE), le spectre. Sur toute la plage d'absorption de la lumière visible,D18Du dispositif de groupeEQEPar rapport au Groupe de contrôle a augmenté. intégraleEQEDensité de courant de court - circuit obtenue par spectroscopie avecJ-VLes valeurs mesurées par la courbe coïncident.

Résultats de la recherche:D18La densité de courant de court - circuit intégrée des dispositifs du Groupe est 25,86 mA cm- Oui?25 , avecJ-VLes résultats des courbes sont cohérents.

Autres caractérisations

•XDérivation des rayons(XRD)Pour:

Analyser la structure cristalline et la pureté de phase des films minces de pérovskite et évaluer la dégradation du dispositif sous contrainte thermique. Aussi pour l'évaluationD18Effet de blocage ionique. Résultats confirmésD18La couche intermédiaire peut inhiber efficacement la décomposition de la pérovskite sous contrainte thermique,Et à une certaine concentration peutBloquerdu PbBr2etFAIRéactions d'échange d'ions entre- Oui.(figure1c, diagramme2b, diagrammeS 10) et

•Temps de vol spectrométrie de masse des ions secondaires(ToF-SIMS)Pour:

Analyser la distribution des éléments au sein des couches du dispositif et étudier le comportement de migration des ions au cours du vieillissement. Les résultats montrent que sous contrainte thermique,Dans le pérovskite dans les dispositifs du Groupe de contrôleI-etFALe +Les ions sont clairement orientésSpiro-OMeTADDiffusion des couches, etD18La migration des ions dans les dispositifs du Groupe est fortement inhibée- Oui.(figure2eEt,2f, diagrammeS 13) et

•Photoluminescence(PL)Et Photoluminescence résolue dans le temps(trpl)Pour:

Étude de la dynamique des porteurs et de l'efficacité du transfert de charge Interfacial des pérovskites. IntroductionD18Après la couche intermédiaire,La recombinaison excitonique de la pérovskite est efficacement inhibée, la séparation des charges et l'efficacité d'extraction sont améliorées- Oui.(figure3 bis, diagramme3b, diagrammeS 19) et

•Microscope de force de sonde de Kelvin(KPFM)Pour:

mesureHTLPotentiel de surface de la surface, après évaluation du vieillissementHTLLa fonction travail varie. Après vieillissementDispositifs de groupe de contrôleSpiro-OMeTADLe potentiel de surface est significativement réduit et la fonction de travail est également significativement réduite,D18Dispositifs de groupeSpiro-OMeTADLe potentiel de surface et la fonction de travail varient moins. (figure2hEt,2i) et

•Microscope électronique à balayage(SEM)Pour:

Observez la topographie de surface du film mince et la structure en Coupe du dispositif. Les images confirmentD18La couche intermédiaire permet de former un film dense, recouvrant efficacement la surface de la pérovskite et protégeant la topographie de la pérovskite après vieillissement. (figure2d, diagrammeS5) et

Conclusion

Cette étude a réussi à être efficacen-i-pUne couche a été introduite dans la cellule solaire pérovskite de typeExtrêmement minceD18Couche intermédiaire en polymère. Ce design innovant a permis des avancées significatives:

•Améliore considérablement la stabilité des cellules solairesPour:D18La couche intermédiaire efficacementBloque la couche de pérovskite et la couche de transport de trous électriques(HTL)Diffusion ionique entre, protégeant ainsi les matériaux pérovskites etHTLExempt de dégradation. Il a été démontré expérimentalement que, par rapport à aucunD18Dispositifs de la couche intermédiaire, utilisantD18Les dispositifs peuvent maintenir une efficacité plus élevée dans des conditions de lumière continue et de température élevée.

•Efficacité de conversion d'énergie amélioréePour:D18Couche intermédiairePerovskite optimisée etHTLArrangement des niveaux d'énergie entre, favorise l'extraction efficace des trous électriques et réduit la perte d'énergie à l'interface. Finalement, les cellules solaires fabriquées par l'équipe de recherche ont obtenuJusqu'à26,39% (Certifié comme26,17%)Efficacité de conversion de puissanceEt grande surface(1Centimètre carré) etL'efficacité du dispositif atteint également25,02%- Oui.

Référence bibliographique de nature communications - doi: 10.1038 / s41467 - 024 - 55329 - 0

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