Contexte et défis de la recherche

PSCLe principal goulot d'étranglement de la commercialisation réside dans la reproductibilité insuffisante des procédés de passivation défectueuse. Cette étude porte sur trois défis majeurs dans ce domaine:

1. Variabilité de l'état de surface: l'état de surface du film de pérovskite varie considérablement d'un lot à l'autre et d'un opérateur à l'autre, même de petites fluctuations du processus (température, rapport stoechiométrique, humidité) entraînent une distribution très différente des défauts, ce qui rend l'effet de passivation difficile à reproduire.

2. Difficulté à contrôler la concentration optimale de passivant: les stratégies traditionnelles nécessitent de trouver un point d'équilibre entre la réparation des défauts et le transfert de charge (concentration optimale)C*), mais la variation de l'état de surface entraîne des conditions optimales établies qui ne peuvent pas être reproduites à travers les expériences, voire avoir des effets négatifs.

3. Limites intrinsèques aux modes de passivation conventionnelsPour:CPLa variation de la concentration de l'agent de passivation en mode affecte significativement sa distribution dans l'alignement des niveaux d'énergie, affectant la reproductibilité. L'excès d'agent de passivation est susceptible de former des poudres résiduelles et des phases de faible dimension, entraînant une résistance d'interface trop élevée, une dégradation des performances du dispositif et des problèmes de stabilité initiaux.

Équipe de recherche et résolutionLa méthode

Ce qui concerne les cellules solaires pérovskite (PSC), l'étude des stratégies de passivation des défauts, réalisée parProfesseur Xue Jingjing, Université de Xihu et Université du ZhejiangL'équipe co - dirigée est terminée. Leurs recherches sont publiées dans les meilleures revues internationales Énergie naturelle (Nature Énergie) etEn haut.

L’équipe de recherche propose «Passivation saturée » (Passivation saturée, SP) nouvelle stratégie, résoudre les défis ci - dessus avec une approche innovante en deux étapes:

Première étape: régulation de l’activité

Utilisation d'alcool isopropylique fluoré (Festival international de télévision), réduit l'activité réactive et la capacité de pénétration des molécules d'agents de passivation, permettant l'utilisation de concentrations élevées d'agents de passivation pour assurer une passivation adéquate de tous les défauts de surface, tout en évitant les réactions excessives et la formation excessive de phases de faible dimension nocives.

Étape 2: nettoyage précis

AdoptionFestival international de télévisionAvec l'alcool isopropylique (IPA), le solvant mélangé effectue le rinçage, élimine avec précision les molécules de passivant non lié en excès, réalise la passivation saturée défectueuse et maintient la couche de faible dimension à l'épaisseur appropriée.

Résultats de la recherche ciblée

Figure 3i

1. FIPAMécanisme des solvantsPour:Festival international de télévisionLes atomes de fluor moyens forment une forte liaison hydrogène avec le passivant de sel d'ammonium (H-FLiaison hydrogène), inhibiteur compétitif passivant avecPbI2Réaction excessive, réduit efficacement l'activité réactive de l'agent de passivation et la capacité de pénétration, évite la formation excessive de phases nocives de faible dimension.

2. Élargir considérablement la fenêtre d'opération Pour:SPLa stratégie a une tolérance élevée aux écarts de concentration d'agent de passivation, relativement plus traditionnelleCPLe mode offre une gamme plus large de concentrations appropriées, améliorant considérablement la reproductibilité du processus.

3. Performance du dispositif

• Percée en efficacitéPour:n–i–pFaible bande interditePSCDa25,6%Et,p–i–nFaible bande interditePSCDa26,0%Et,p–i–nLarge bande gapPSCDa23,0%Et,1 cm2Grande surfacePSCDa24,5%

• Amélioration de la stabilitéPour:1000Reste supérieur après vieillissement accéléré par heure80%InitialePCELa stabilité initiale est nettement meilleure queCPDispositifs

• Réduction du phénomène d'hystérésis: passivation des défauts inhibe efficacement la migration ionique

4. Validation généralisée de l'universalité SPLa stratégie s’applique:

• Différentes structures de dispositifs (n–i–pEt,p–i–n) et

• Plusieurs compositions de pérovskite (différentesBrContenu)

• Diverses techniques de préparation (méthode en deux étapes, méthode de dépôt anti - solvant)

• Différents environnements de préparation (azote, air)

• Zones de dispositifs multiples (effet plus prononcé sur les dispositifs de grande surface)

• Peut être réalisé par immersion, potentiel d'industrialisation

Étapes et processus expérimentaux

Figure 4j

1. Préparation de film de pérovskite Vérification avec deux méthodes de dépôt principalesSPUniversalité de la stratégie:

• Méthode en deux étapes: couche de spin CoatingPbI2La solution etFAI/MAClRecuit après solution, adapté pourn-i-petp-i-nPérovskite à faible bande interdite et large bande interdite pour la structure

• Méthode de dépôt anti - solvant: anti - solvant (Anis éther ou acétate d'éthyle) ajouté goutte à goutte pendant la rotation de la solution de précurseur

L'environnement de préparation couvre la boîte à gants d'azote (haute pureté) et l'environnement de l'air (25 à 30%Humidité, simulant les conditions réelles de production).

2. Assemblage de dispositifs

• Structure du substratPour:ITOouMise en œuvre libreDépôt d'électrons sur substrat en verre/Couche de transport de trous électriques (SnO2Et,2PACzEt,NiOx / Me-4PACZEtc.)

• SPTraitement de passivation: passivant de sel d'ammonium à haute concentration (PEAIEtc.) soluble dansFestival international de télévisionEnduit à rotation moyenne sur la surface de la pérovskite, puis avecFIPA / ipanLe rinçage au solvant mixte élimine les molécules en excès.p-i-nRecuit à basse température court requis pour les dispositifs structurels

• Méthodes alternatives: vérification de la faisabilité de la méthode de trempage pour remplacer la méthode de spin Coating

• ÉLECTRODE terminée: dépôt de matériau de transport de trou électrique (Spiro-OMeTAD), ou couche d'extraction électronique (LiF / C60 / BCP), et enfin électrodes métalliques à la vapeur

3. Tests de performance Mesure dans des conditions standardJ-VCourbe caractéristique, obtenuePCEEt,COVEt,JSCEt,FFEtc. paramètres clés. Toutes les mesures ne sont pas prétraitées et sont spécialement conçues pour1 cm2Dispositifs de grande surface pour l'évaluation du potentiel d'industrialisation.

Méthodes de caractérisation et résultats

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

Évaluer l'effet de passivation des défauts de pellicule de pérovskite par rapport à la capacité d'inhibition des pertes composites non radiatives,QFLSÉlever les dispositifs à association directeCOVetFFAmélioration.

ParPEAI/FIPA de 100 mMFilm de pérovskite traitéQFLSfilmAmélioration jusqu'à17,5 mVNettement mieux quePEAI/IPATraitées12,8 mVL'étape de nettoyage sera due àPEAIPoudre dissoute ou2DDégradation de phase réduisant l'amplitude de l'amélioration, maisIPAAprès le nettoyageQFLSfilmAmélioration légèrement supérieureFestival international de télévisionNettoyage- Oui.SPFilm après traitementQFLSfilmAmélioration continue,PLAucune évidence observée dans le spectre2DPic d'émission de phase, confirmant que l'effet de passivation est stable.

FigureS 12 AfficherPEAI/FIPA de 100 mMetPEAI/IPATraitement du film non lavé,Festival international de télévisionNettoyage,IPANettoyage dans trois conditionsQFLSfilmAméliore le contraste.PEAI/FIPAL'échantillon non lavé montre la valeur d'amélioration la plus élevée(17,5 mV)Présenter visuellement l'impact des différentes étapes de traitement et de nettoyage des solvants sur l'effet de passivation des défauts.

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Densité de courant-tension(J-V)La courbe

Caractérisation des paramètres de performance de base des cellules solaires, reflétant le transfert de charge du dispositif et la performance photovoltaïque globale.

SPLa stratégie augmente considérablement les différentsPSCdePCEPerformance.Cs0.05FA0.95PbI3 p-i-nDispositifs structurels parPEAI-SPAprès le traitement,PCEAtteint25,5%(COV = 1,17 V,FF = 83,00 %,JSC = 26,30 mA cm^-2). La stratégie pour différents composants pérovskite (20 % de FAPbBr₃ou40 % de MAPbBr₃Dopage), différentes méthodes de préparation et différents environnements présentent une excellente polyvalence.SPLa passivation réduit efficacement le phénomène d'hystérésis, attribué à la passivation défectueuse inhibant la migration ionique.

Figure4a Affichage des dispositifs de référence avecPEAI-SPTraitéesCs0.05FA0.95PbI3 p-i-nDispositifs structurelsJ-VContraste des courbes etPCEHistogramme statistique.SPLa courbe du processeur est plus "carrée", montrantFacteur de remplissage et efficacité de conversion de puissance plus élevés,PCEDistribution plus concentrée et moyenne plus élevée, soulignantSPL'effet remarquable de la stratégie sur l'amélioration des performances et de la répétabilité des dispositifs.

Efficacité quantique externe(Efficacité quantique externe, EQE)

L'efficacité de la conversion des photons incidents en courant de sortie sous différentes longueurs d'onde de lumière reflète directement la réactivité spectrale du dispositif par rapport à l'efficacité de l'utilisation de la lumière solaire. Adoption de mesuresEnliTech QE-RSystème de mesure d'efficacité quantique- Oui.

EQESupport des données spectralesJ-VMesurée par la courbeJSCValeur, vérifier davantage la performance du dispositif dans chaque région spectrale, confirmerSPCapacité de conversion photoélectrique du dispositif après traitement de la stratégie.

FigureS 22a AfficherCs0.05FA0.95PbI3 p-i-nDispositifs structurelsEQELe spectre. Dispositif dans la région visible et proche infrarouge (environ300 à 850 nm) montrerHaute efficacité quantique, Pic proche90%, confirmant que le dispositif a une absorption optique efficace et une capacité de collecte de charge dans cette gamme de longueurs d'onde.

Suivi des points de puissance maximale(suivi MPP)

La variation de la sortie de courant de la pièce de contrôle au fil du temps sous une lumière constante et une tension de polarisation permet d'évaluer la stabilité de fonctionnement à long terme, en particulier les performances dans des conditions de vieillissement accéléré.

Simulation de conditions de test de vieillissement accéléré (65°CEt,N₂Dans la boîte à gants0.8Fois la lumière du soleil),SPLa stratégie montre la stabilité.SPLe dispositif est en1000Reste après le test horaire plus de80%InitialePCETandis que la passivation traditionnelle(CP)Le dispositif au début260Dans les heuresPCEUne forte baisse, même inférieure à celle du groupe témoin, a été attribuée à une pénétration excessive de l'agent de passivation.SPLa stabilité initiale du dispositif est nettement meilleure queCPDispositif, résultant de la réduction de la pénétration de l'agent de passivation.

FigureS 34 Comparaison des groupes témoins non encapsulés,CPetSPLes dispositifs normalisés dans les tests de vieillissement accéléréPCEChangement avec le temps.SPDispositifsPCELa vitesse d'atténuation la plus lente, montrant la meilleure stabilité à long terme, etCPLe dispositif a montré une baisse significative des performances au début du test.

Autres caractérisations

1. Discrimination angulaireXSpectroscopie photoélectronique des rayons(AR-XPS) : analyse de la distribution en profondeur et de la capacité de pénétration des molécules de passivant dans les films minces de pérovskite.ConfirméFIPA-SPMode supprime efficacement les couches profondesPEAI, moins de résidus de surface, amélioration de la répétabilité de passivation.(Figure1d)

2. XDérivation des rayons(XRD) : analyse des changements de structure cristalline des films minces de pérovskite après traitement par un agent de passivation et2DFormation de phase.ConfirméFestival international de télévisionInhibition significativePEAIPic de poudre et2DFormation de phase, inhibition efficace du changement de phase se produit.(Figure1e)

3. Spectre de photoluminescence(PL) : évaluation de l'inhibition des pertes composites non radiologiques,PLL'intensité reflète l'effet de passivation des défauts.afficherFestival international de télévisionA une capacité d'élimination moléculaire de passivant,IPALorsque le rapport de volume augmentePLL'intensité augmente progressivement.(Figure3g)

4. Microscope électronique à balayage(SEM) : observation directe des variations morphologiques de la surface du film de pérovskite, en particulierPbI₂Situation de transformation des zones d'enrichissement.ConfirméFestival international de télévisionInhibitionPEAIRéactivité, après traitementPbI₂Zone d'enrichissement(Zone lumineuse) etExiste encore partiellement.(Figure1 g)

5. Spectroscopie de résonance magnétique nucléaire(RMN)et Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier(FTIR) : étude des solvants,PbI₂Et les mécanismes d'interaction moléculaire entre Ligands passivants.ConfirméFestival international de télévisionLes atomes de fluor moyens forment de fortes liaisons hydrogène avec l'agent passivant d'ammonium et la concurrence empêche la formation de phases de faible dimension.(Figure2f)

6. Analyse statistique des paramètres photovoltaïques : ÉvaluationSPUniversalité, Répétabilité et applicabilité de la stratégie.ConfirméSPLa stratégie excelle dans divers dispositifs,1 cm2Grande surfacePSCdePCEde21,6%Élevé à24,5%- Oui.(FigureS 24a)

conclusion

Développement réussi par l'équipe de recherchePassivation par saturation (SP) Stratégie, résoudre efficacementPSCLes méthodes de passivation traditionnelles en raison de problèmes d'incohérence des effets causés par la variation de l'état de surface améliorent considérablement l'efficacité, la stabilité et la reproductibilité du dispositif.

Percée innovante de base:

1. FIPARôle clé des solvants: alcool isopropylique fluoré (Festival international de télévision), réduit significativement l'activité réactive des molécules passivantes avec la pérovskite, par rapport à l'isopropanol traditionnel (IPA), assure la passivation des défauts et ne perturbe pas le transfert de charge.Festival international de télévisionL'élargissement de la fenêtre d'opération permet à la stratégie d'avoir une haute tolérance aux changements de concentration d'agent de passivation, aux méthodes de dépôt et aux agents de passivation compatibles, démontrant une excellente polyvalence.

2. Performance du dispositif: réalisation de nombreuses percées d'efficacité:n–i–pFaible bande interditePSCDa25,6%Et,p–i–nFaible bande interditePSCDa26,0%Et,p–i–nLarge bande gapPSCDa23,0%Et,1 cm2Grande surfacePSCDa24,5%- Oui.SPStratégie offre une plus large plage de fonctionnement de concentration de passivant (PEAI de 20 à 100 mMEfficacité stable à la concentration25%), inhibe efficacement l'effet d'hystérésis, améliore considérablement les performances des dispositifs de grande surface.

3. Excellente performance de stabilité: dans le test de vie accéléré (65°C、0.8Lumière du soleil,N₂Environnement),SPDispositifs1000Reste au - delà des heures80%InitialePCEEt Passivation traditionnelle (CP) Dispositif avant260Déclin significatif dans les heures, même inférieur au groupe témoin non traité, attribué àSPLa stratégie est efficace pour réduire la pénétration excessive de passivant.

4. QFLSAmélioration significativePour:SPTraitement film affichage continuQFLSAmélioration,PEAI/FIPA de 100 mMFilms traitésQFLSfilmAmélioration jusqu'à17,5 mVNettement mieux quePEAI/IPAde12,8 mVMontrer des effets reproductibles dans la réduction de la perte de tension en circuit ouvert.

Référence bibliographique de nature energy - doi: 10.1038 / s41560 - 025 - 01791 - Z

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