Difficultés et défis de la recherche

Les couches de contact sélectives de charge existantes à haut rendement (telles que les couches monomoléculaires auto - assemblées,SAM), multi - optimisé pour les cellules solaires Perovskite à Gap étroit, ses caractéristiques d'ordre d'énergie ne sont pas un gap large (Groupe de travail), conception personnalisée en pérovskite. Cette désadaptation d'ordre d'interface entraîne une recombinaison non radiative sévère, entraînant directement une perte de tension en circuit ouvert et une réduction du facteur de remplissage, limitant considérablement l'efficacité globale de conversion de puissance du dispositif.

Le principal défi de cette étude est de savoir comment systématique etRéguler avec précisionSAMOrdre d'énergieDe le rendre compatible avecGroupe de travailCouche de pérovskite atteintLe meilleur match, de sorte queRéduire la perte de composé d'interface, augmenter l'efficacité d'extraction de charge, amélioréGroupe de travailPerformance globale des sous - batteries en pérovskite et des batteries empilées.

Équipe de recherche et publication

Cette étude révolutionnaire a été réalisée parProfesseur Xue Jingjing de l'Université du Zhejiang etDeren Yang教授Co - dirigé, les résultats de la recherche sont publiés dans des revues académiques de renommée internationale Nature Communications. L'équipe montre comment utiliser la structure moléculaireEffet induitRégulation précise et systématiqueSAML'ordre d'énergie, et sur la base de laquelle une haute efficacité énergétique a été préparéeGroupe de travailBatterie à jonction unique en pérovskite etPérovskite à efficacité record/ TOPConPiles empilées- Oui.

Réalisations en recherche et points de vue

l Innovation de base: exploiter avec succès les « Effets inducteurs» dans la structure moléculaire(Effet inductif)Réguler de manière précise et systématique les couches monomoléculaires auto - assemblées(SAM)L'ordre d'énergie- Oui.

l Mise en œuvreSAMOptimisation de l'ordre d'énergie pour correspondre à un large écart d'énergie(Groupe de travail)Besoins en batteries de pérovskiteRésout les goulots d'étranglement d'efficacité causés par la désadaptation d'ordre énergétique.

l Confirmation de la forte présence de groupes donneurs d'électronsLes SAM PyAA-MeOConstruit l'alignement d'ordre d'énergie d'interface le plus avantageux, facilite considérablement l'extraction des trous et réduit considérablement les pertes composites non radiatives.

l Préparé à haute efficacité énergétiqueGroupe de travailBatterie à jonction unique en pérovskite, efficacité de conversion de puissance(PCE)Le plus élevé atteint22,8%Et ont une tension de circuit ouvert élevée(COV)Et facteur de remplissage(FF)- Oui.

l Le dispositif présente une excellente stabilitéIl excelle dans de nombreux tests de vieillissement accéléré tels que la lumière, le stress thermique et le suivi des points de puissance maximale.

l Basé sur l'optimisationSAM, construit avec succès une pérovskite à haute efficacité énergétique/ TOPConBatterie empilée, réalisée31,1%Efficacité de conversion de puissance(Certifié par un tiers comme30,9%)- Oui.

l Par analysePLQYRésultat, extrait et quantifiéDivision d'ordre quasi - fermien(QFLS)Le gain de,PyAA-MeOIncorporationLe film de pérovskite montreLe plus grandQFLSLe gain(48,1 méV), avec le plus élevé observé dans les dispositifs photovoltaïquesCOVLes performances coïncident,Reflète la réduction des pertes composites non radiatives- Oui.

l Cette efficacité de la batterie empilée est actuellement rapportée pérovskite/ TOPConUne des hautes efficacités dans les batteries empilées- Oui.

Fig 4e

Processus expérimental et étapes

Figure 1ab

Conception et synthèse moléculaires L'équipe de recherche a conçu et synthétisé une série de structures à base de noyau de pyrène avec des groupes d'ancrage acryliquesSAMMolécules, y comprisPyAAEt,PyAA-BrEt,PyAA-MoietPyAA-MeOLes molécules ont des groupes fonctionnels de propriétés électroniques différentes.

SAMPréparation du film Sera synthétiséSAMMolécules solubles dans des solvants spécifiques, par la méthode de spin - CoatingITOLe dépôt sur le substrat forme un film mince monomoléculaire suivi d'un traitement de recuit pour stabiliser la structure du film mince.

Préparation de film de pérovskite DansSAMModifiéITOSur le substrat, une solution de précurseur de pérovskite à large bande d'énergie est formulée, un film mince de pérovskite est déposé à l'aide de techniques de revêtement rotatif et de traitement anti - solvant et un traitement de recuit est effectué.

Préparation de cellules solaires à jonction unique àSAMModificationITOPour le substrat, dépôt séquentiel d'une couche de pérovskite, dépôt d'une couche de transport d'électrons par évaporation perméable à la chaleur (LiFEt,C60Et,BCP), et des électrodes en argent, complètent la structure inversée de la cellule solaire Perovskite à jonction unique.

Préparation de piles solaires empilées Une sous - batterie pérovskite à large bande passante qui sera optimisée (basée surPyAA-MeO) Intégration à la commercialisationTOPConSous - cellules en silicium cristallin. DansTOPConDépôt séquentiel sur substrat de siliciumNiOxCouche,SAM, une couche de pérovskite, une couche de passivation de surface, et une couche intermédiaire (LiFEt,C60Et,SnO2), et la structure de l'électrode supérieure (informationEt,AgEt,LiF), assemblé en pérovskite/ TOPConPiles solaires empilées.

Aide au calcul théorique Simulation computationnelle utilisant la théorie fonctionnelle de la densité et le principe de la première sexualitéSAMMolécules enITOLa structure et l'interaction des surfaces aident à comprendre les phénomènes observés expérimentalement et guident la conception expérimentale.

CaractérisationLes PartiesLoi et résultats

1.J-VMesure des caractéristiques

L'équipe de recherche utilise la simulationAM 1,5 GLe spectre(100 mW cm)-²) etUnité de mesure de la source sous Irradiation(Keithley 2400)effectuerJ-VMesure des caractéristiques. Faites précis et fiableJ-VMesure nécessite un simulateur de lumière solaire de haute qualité,Technologie Light 焱Enlitech SS-XSimulateur de lumière solaire, dontAM1.5GLe filtre utilise une technologie avancée de dépôt plasma pour une haute précision spectrale et une excellente durabilité.

Les résultats montrent, basé sur différentsSAMLarge espace d'énergiePSCSon efficacité moyenne varie dePyAA-Brde12,9%Ascension progressive àPyAA-MeOde22,1%. Parmi eux,PyAA-MeOLe dispositif du substrat se comporte le mieux, réalisant22,8%dePCE, avec1,24 VdeCOV、84,3%deFFet21,8 mA cm^-2 deJSC- Oui.

Figure4aPrésenté basé sur différentsSAMdePSCDu dispositifJ-VLa courbe,table1Les paramètres de performance de ces dispositifs sont résumés.

Figure4eLa batterie empilée est alors montréeJ-VLa courbe.

2.Efficacité quantique externe(EQE)Mesure

Mesure de l'efficacité de la cellule à produire des porteurs sous différentes longueurs d'onde de lumière, vérificationJ-VDans la mesureJSCValeur. Utilisation par l'équipe de rechercheEnlitech QE-RSystème externe d'intégration d'efficacité quantique, mesures effectuées en court - circuit, utilisant un amplificateur à verrouillage de phase et un préamplificateur de courant.EQELa mesure comprend la réponse de la batterie dans différentes gammes spectrales.Technologie Light 焱Enlitech QE-RSystème de mesure d'efficacité quantique, avec haute répétabilité(> 99.5%)Et est équipé de deux amplificateurs à verrouillage de phase biphasés indépendants qui peuvent surveiller simultanément la Puissance optique et le signal du dispositif.

Figure4b Comparé basé surPyAAetPyAA-MeODu dispositifEQELa courbe.PyAA-MeODu dispositif de baseEQELa courbe montre une réponse plus élevée, le calcul intégralJSCLa valeur est21,0 mA cm^-2, au - dessus dePyAADu dispositif de base20,2 mA cm^-2- Oui.EQEAugmentation du courant intégré attribuée à un alignement énergétique amélioréExtraction des trous plus efficace- Oui.

Figure4f Pérovskite montré/Dans les dispositifs à empilement de siliciumGroupe de travailSous - batteries et sous - batteries en siliciumEQECourbe, intégraleJSCLes valeurs sont respectivement19,8 mA cm^-2 et19,7 mA cm^-2- Oui.

3.Division d'ordre quasi - fermien(QFLS)Caractérisation optique associée

QFLS (Quasi-Fermi Level Splitting)Décrit la distribution de niveaux d'énergie hors équilibre des porteurs photogénérés sous la lumière pour quantifier laCOVPotentiel et aider à comprendre la source de la perte composite non radiative. L'équipe de recherche a mesuré en fonction de différentsSAMFilm de pérovskitePLQY. Utilisation par l'équipe de rechercheEnlitech LQE-50-EL (LQ-50)Système d'efficacité quantique externe électroluminescent, collecteEQEEL- Oui.

À traversPLQYMesure, l'étude a trouvé sa valeur avecSAMLes groupes fonctionnels donnent une augmentation de la capacité électronique, à partir dePyAA-Brde0,70%Monter àPyAA-MeOde5,71%. fractionnement d'ordre quasi - fermien basé sur cette extrapolation(QFLS)Les valeurs améliorées présentent également la même tendance, à partir dePyAA-Brde17,2 méVAugmenter àPyAA-MeOde48,1 méV, PyAA-MeOMontrer le maximumQFLSAmélioré, qui est la tension ouverte la plus élevée de son dispositif(COV)La hauteur coïncide. En outre, le dispositif completEQEELLes mesures confirment en outre,EQEELLa valeur augmente avec le renforcement de la capacité électronique du Groupe fonctionnel, de sorte quePyAA-MeOPerte de tension du dispositif(ΔV)minimum(Uniquement0,18 mV). Ces excellents pointeurs de performance photoélectrique proviennent d'un alignement avantageux de l'énergie de l'interface,Favorise l'extraction efficace des trousetRéduction significative de la recombinaison de charge interfaciale- Oui.

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4.Photocourant transitoire(TPC)Mesure de l'atténuation

Étude de la cinétique d'extraction des porteurs (trous) dans des conditions de court - circuit. Optimisé par l'alignement énergétique de l'interface apporté par l'effet induit par les groupes méthoxy des électrons, il favorise efficacement l'extraction rapide des trous.(Figure3d)

Autres caractérisations

1.XDiffraction des rayons(XRD)Pour:Évaluer la qualité cristalline des films minces de pérovskite. Les pics et les intensités sont presque identiques pour chaque échantillon, et peu sont observésPbI₂ Le pic33, indique que les différents groupes fonctionnels ont peu d'influence sur la cristallisation de la pérovskite.(Figure2 bis)

2.Grand angle d'incidence rasante bidimensionnelleXDiffusion des rayons(GIWAXS 2D)

Etude de l'orientation cristalline des couches minces de pérovskite déposées sur différents substrats. Dans les quatre cas, l'orientation cristalline du film mince de pérovskite est similaire. Cela confirme en outre que le changementSAMLes groupes fonctionnels n'ont pas d'effet significatif sur la cristallisation et l'orientation du film mince de pérovskite.(FigureS 24)

3.Microscope électronique à balayage(SEM)

Observez la topographie de surface du film de pérovskite.SAMLa modification des groupes fonctionnels a un effet négligeable sur la qualité du film mince de la couche de pérovskite déposée au - dessus.(Figure2b)

4.Ultraviolet-Spectre visible(spectroscopie UV-vis)

Évaluer les propriétés d'absorption optique et la bande interdite optique des films minces de pérovskite. Des formes spectrales et des intensités similaires indiquent que la modification des groupes fonctionnels n'a pas modifié l'absorption de la lumière et la bande interdite optique du matériau pérovskite.(Figure2c)

5.Spectroscopie photoélectronique ultraviolette(UPS)

ObtenirSAMModifiéITOInformations sur le niveau d'énergie de la surface et analyseSAMAlignement énergétique avec l'interface pérovskite. Preuve que l'amélioration observée de l'alignement énergétique provient principalement deSAMChangement de niveau énergétique.(Figure3b)

6.Microscope de force de sonde de Kelvin(KPFM)

mesureSAMVariation du potentiel de surface de la surface modifiée. Il a été montré que le potentiel de surface diminue avec l'augmentation de la capacité des groupes fonctionnels à donner des électrons, ce qui suggère quePyAA-BràPyAA-MeOdepLe comportement de type est de plus en plus évident.(FigureS 30)

7.Photoluminescence résolue dans le temps(trpl)

Étudier la dynamique des porteurs dans les films minces de pérovskite, en particulier les processus d'extraction de charge.PyAA-MeOLe premier intervalle de la courbe de durée de vie différentielle de l'échantillon de base est le plus court, un segment dominé principalement par le processus de transfert de charge, confirmantPyAA-MeOExcellente capacité d'extraction de charge d'interface.(Figure3c)

9.Détermination du tempsPLSpectres etPL Cartographie

Évaluer la photostabilité des films minces de pérovskite. Lumière 24 Après heures, tous les échantillons dePLLes lancements ont tous montré des redshifts similaires. Cela confirmeSAMLes groupes fonctionnels dans ont un effet négligeable sur la stabilité de phase des films minces de pérovskite à large bande d'énergie.(FigureS 26.27)

10.Suivi des points de puissance maximale(MPPT)Test de stabilité(Test de stabilité MPPT)

Évaluer la stabilité à long terme du dispositif en lumière continue.FigureS 39 OffertMPPTSuivez la courbe. Rapport de recherche dispositifs non encapsulés dans60 °CEffectué en dessous 400 heureMPPTAprès le test, basé surPyAA-MeOLe dispositif a conservé plus de99%Efficacité initiale. À environ 2500 Heures de différents tests de vieillissement accéléré, son efficacité reste supérieure à96%, montre sa résistance accrue aux stimuli externes.

11.Test de vieillissement accéléré(Test de vieillissement accéléré)

La longue durée de vie du dispositif est évaluée dans des conditions accélérées. Dispositif à environ 2500 Peut encore être conservé au - delà des heures96%Efficacité initiale.

Résumé de l'étude

Régulation préciseSAMStratégie d'ordre énergétique La recherche a développé avec succès des stratégies pour réguler précisément et systématiquement l'ordre d'énergie des couches monomoléculaires auto - assemblées en utilisant les effets induits par des groupes fonctionnels, fournissant une approche clé pour personnaliser les interfaces pour correspondre à des Perovskites de Gap spécifiques.

Optimisation de l'ordre d'interface et de l'extraction de charge Par l'introduction de groupes méthoxy ayant une forte capacité à donner des électrons (PyAA-MeO), optimisé avec succèsSAMAlignement d'ordre d'énergie d'interface avec la Perovskite à large bande d'énergie, créant une courbe de bande d'énergie favorable à l'extraction par trou électrique, confirmé expérimentalementPyAA-MeOPossède une excellente capacité d'extraction de charge interfaciale.

Noeud uniqueGroupe de travailHaute efficacité énergétique des batteries en pérovskite Utilisation optimisée par ordre d'énergiePyAA-MeOEn tant que couche de sélection de trous électriques, considérablement augmentéeGroupe de travailPerformance de la cellule solaire pérovskite, le dispositif atteint22,8%L'efficacité de conversion photoélectrique est principalement due à l'amélioration de l'extraction des trous électriques d'interface et à la réduction des pertes composites non radiatives.

Réduction efficace de la recombinaison non radiative et de la perte de tension L'alignement optimisé de l'ordre d'énergie de l'interface et l'extraction efficace des trous électriques réduisent efficacement la recombinaison non radiative du dispositif.PLQYEt,QFLSEt,EQE_ELLes tests ont tous montré,PyAA-MeOLe dispositif a une perte composite non radiative et une perte minimale de tension en circuit ouvert.

Réalisation de cellules solaires empilées à haut rendement Sera haute performanceGroupe de travailSous - batterie en pérovskite (avecPyAA-MeO) intégration dans le commerceTOPConSous - batterie de silicium cristallin, construction réussie de pérovskite à haute efficacité énergétique/ TOPConPiles solaires empilées.3 cm²Dispositif à empilement de surface active atteint31,1%Efficacité (certification par des tiers30,91%), pourTOPConUne des hautes performances rapportées par les batteries empilées.

Montrer la stabilité du dispositifPyAA-MeOLe dispositif présente une excellente stabilité de fonctionnement et thermique. Les dispositifs non encapsulés restent après une longue période de fonctionnement dans les tests de vieillissement accéléré, y compris le suivi du point de puissance maximale, la lumière continue et le chauffage continu96% - 99%Efficacité initiale.

SAMEffet léger sur le film de pérovskite De différents groupes fonctionnelsSAMPeu d'effet sur la cristallisation, la morphologie, les propriétés optiques et la photostabilité du film mince de pérovskite déposé dessus, confirmant en outre que l'amélioration des performances du dispositif est principalement attribuée àSAMAmélioration de l'interface avec la pérovskite, plutôt que des changements dans le film de pérovskite lui - même.

Référence bibliographique de nature communications - doi: 10.1038 / s41467 - 025 - 59896 - 8

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