Contexte et défis de la recherche

•Le cœur du défi des cellules solaires pérovskites à haute efficacité énergétique: Bien que l'halogénure métallique pérovskite, en raison de ses propriétés photoélectriques, a considérablement amélioré les performances des cellules solaires et a permisPSCdeEfficacité de conversion de puissance (PCE) etLes limites théoriques se rapprochent constamment, mais il existe encore des obstacles importants à son processus d'optimisation.

•Problèmes inhérents aux matériaux sélectifs des trous électriques de petites molécules:

- Oui. Dépôt uniforme et agrégation moléculaire problème: Les matériaux sélectifs existants pour les trous électriques à petites molécules, en particulier dans les procédés de fabrication de solutions, sont difficiles à mettre en oeuvreDépôt uniformeEt efficaceInhibition de l'agrégation moléculaire. Par exemple, les communsLe Me-4PACzLes molécules s'agglutinent considérablement en solution et leur taille de particules augmente considérablement avec le temps de stockage.

- Oui. Effets négatifs sur l'efficacité, la reproductibilité et la stabilité: Ce dépôt hétérogène avec des problèmes d'agrégation moléculaire, sur la batterieEfficacité, reproductibilitéEtStabilité opérationnelle à long termeConstitue un dommage grave.

- Oui. Entraver l’industrialisation et la production de masse: L'agrégation moléculaire raccourcit non seulement la solution de précurseurDurée de vie opérationnelleGravement obstrué.Processus de continuité à l'échelle industrielleC'est ce qui seraPSCLes principaux défis de la commercialisation.

•Perte d'énergie et problèmes de défauts:

- Oui. Matériaux à petites molécules à l'interface de la couche de pérovskite avec le substratFormation de défautsEtEfficacité de transfert de charge d'interfaceL'insuffisance a conduit àComposite non radiatifAffecte à son tour le dispositifTension en circuit ouvert (COV) etEt la performance globale.

- Oui. Des dispositifs existantsDivision d'ordre quasi - fermien (QFLS) La valeur peut ne pas être assez élevée etEfficacité quantique électroluminescente (EL-EQE), relativement faible, ce qui reflète directement la perte d'énergie et la densité des défauts à l'intérieur du dispositif.

Équipe de recherche et résultats ciblés

Figure 3i

Cette étude a été réalisée parZhu zonglong, Département de chimie, City University of Hong Kong(Zonglong Zhu)教授、Zeng Xiaocheng(Xiao Cheng Zeng)教授EtLi Zhongyan, faculté de chimie et de chimie, Université des sciences et technologies de Huazhong(Zhong’an Li)教授Équipe, publiée dans les meilleures revues internationales Photonique Nature- Oui.

Pour résoudre les cellules solaires pérovskite (PSC), les problèmes d'agrégation moléculaire et de dépôt hétérogène de matériaux de couche de contact sélective de trou moyen, et les défis résultant de l'efficacité, de la reproductibilité et de la stabilité diminuée, l'équipe de recherche a développé et co - déposé unNouveau type depPetites molécules de typeD4PA, formé en même temps que le film de pérovskite,D4PALa clé de la conception moléculaire est à l'intérieur de ses moléculesC- le -CCouplage. Cette conception couplée permetD4PACapable de former une forte fixation avec la pérovskite et le substratInteractions d'ancrage Multi - sites, améliore efficacement le transport de charge à l'interface et inhibe la formation de défauts à l'intérieur de la couche de pérovskite; En même temps,C- le -CLa résistance spatiale introduite par couplage est telle queD4PAPrésente une conformation moléculaire déformée, ce qui inhibe efficacement l'agrégation des molécules.

AdoptionD4PAL'équipement est mis en œuvre dans une petite zone d'équipement 26,72%Efficacité de conversion de puissance certifiée(PCE)et26,14%Suivi certifié des points de puissance maximale(MPPT)Efficacité.

Dans la zone effective est10,86 cm2 Dans le mini - module,PCEAtteint23,37%, certifiéMPPTEfficacité atteinte22,66%. L'appareil fonctionne en continu au point de puissance maximale2500heureAprès cela, il resteEfficacité initiale97,2%Ci - dessus- Oui.

Processus expérimental et étapes

Figure 3f

· Nouveau matériau sélectif de trou électrique synthétisé avec succès: Tout d'abord par la réaction de synthèse organique en plusieurs étapes, le matériau de base a été préparé avec succès D4PAMolécules- Oui.

· Optimisation de la formulation de la solution précurseur pour réaliser le co - dépôt: pour réaliserD4PACo - dépôt avec un film mince de pérovskite, l'équipe de recherche mettra en concentration spécifique de D4PA(les dispositifs de petite surface sont0,35 mg/mLLe mini - module est0,32 mg/mL), directement mélangé dans la solution de précurseur pérovskite, formé avecD4PAEncre pérovskite. Cette étape assureD4PAPeut être uniformément dispersé et incorporé dans la couche de pérovskite.

· Mise en œuvre de la préparation de dispositifs à faible surface à haute efficacité énergétique: laver et prétraiterITOAprès le substrat en verre, il contiendraD4PASolution de précurseur de pérovskite pourDépôt par spin Coating enITOSur le substratEn contrôlant la vitesse de rotation et le temps de goutte d'anti - solvant, un film de pérovskite homogène est formé, suivi d'un traitement de recuit thermique. Ensuite, la couche de transport électronique est déposée à la vapeur séquentiellement(C60, BCP)Et des électrodes en argent et définies à l'aide d'un blindage métallique0,0412 cm2La zone du dispositif.

· Validation du processus de module d'extensibilité: pour vérificationD4PAPotentiel d'application dans les procédés de fabrication à grande surface, l'équipe de recherche a adapté la formulation du précurseur pérovskite et a adopté une formulation plus adaptée à la production de masseMéthode de grattage(revêtement à lame)ContiendraD4PALa solution est appliquée àITOSur substrat en verre. Le recuit à chaud est effectué après le revêtement et la couche d'électrode suivante est également plaquée à la vapeur. Pour former le module, deux rayures de foudre sont également réalisées pour définir la cellule.

· Évaluation complète de la stabilité et de la performance à long terme: préparation complète de dispositifs de petite surface et de mini - modules dans une boîte à gants à atmosphère d'azote, en simulant l'exposition au soleilEffectuéJ-VLes courbes,EQEetMPPTTests de performance égaux. En outre, jusqu'à des milliers d'heures ont été effectuées pour les dispositifs après Encapsulation MPPTTest de stabilité en fonctionnement continuPour évaluer sa fiabilité opérationnelle à long terme.

Méthodes de caractérisation et résultats

Division d'ordre quasi - fermienQFLS

Quantifier les pertes composites non radiatives dans les films minces de pérovskite et refléter directement la tension maximale en circuit ouvert pouvant être atteinte à l'intérieur du dispositif(COV)- Oui.QFLSLa valeur est selonRendement quantique en photoluminescence(PLQY) Et densité de courant de saturation composite de rayonnement sombre(J0,rad)Calculé.

D4PADu dispositif de baseQFLSLa valeur est toujours supérieure àLe Me-4PACzLe dispositif de base, qui confirme davantageD4PAEfficaceInhibition des défautsetAmélioration de la recombinaison non radiative. dans100 mW cm^-2 Sous la lumière, le dispositifCOVAvecQFLSLa différence entre les deux est presque négligeable, ce qui indique une perte de tension d'interface extrêmement faible.

Figure 4ePour:MontréLe Me-4PACzetD4PAFilm de pérovskite à différentes intensités lumineusesQFLSLa courbe.

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courant électrique-Caractéristiques de tensionJ-VLa courbe

Évaluer les performances globales de conversion photoélectrique des cellules solaires. utiliserTechnologie Light 焱EnlitechSimulateur de lumière solaire de Lampe xénonSS-F5, actuellementSS-X), l'intensité lumineuse calibrée est100 mW cm^-2Et à traversKeithley 2400Table des sourcesFaire du Forward (-0,1 Và1,35 V) et scan inverse (1,35 Và-0,1 V), mesurée. Pour les mini - modules, la plage de scan est-0,1 Và6,2 V- Oui.

l Amélioration significative des performances des dispositifs de petite surfacePour:D4PADe basePSCRéalisé26,83%deEfficaceTaux (certifié comme26,72%) etC'est significativement mieux queLe Me-4PACzDu dispositif de référence24,97%. Le meilleurD4PADu dispositifTension en circuit ouvert(COV)Atteint1,200 V(valeur certifiée1,197 V) et, densité de courant de court - circuit(JSC)pour26,11 mA cm^-2(valeur certifiée26,21 mA cm^{-2) et}, facteur de remplissage(FF)pour85,63%(valeur certifiée85,17%).

l Vérification des performances au niveau du module: dans la zone effective est10,86 cm2Sur le mini - module en pérovskite, réalisé PCE 23,37 %Et certifiéMPPTefficacité22,66%, vérifiéD4PAPotentiel dans un processus évolutif.

Figure 3aPour:L'utilisation est présentéeLe Me-4PACzetD4PAcommeHSCLes dispositifs les plus performantsJ-VLa courbe.

Figure 3bPour:afficherD4PACertification des dispositifs de baseJ-VLa courbe.

Fig. 3gPour:MontréD4PABase du mini moduleJ-VLa courbe.

Efficacité quantique externeEQE

Mesure de l'efficacité d'une cellule solaire à convertir des photons incidents en courants électroniques à différentes longueurs d'onde et peut être utilisée pour calculer la densité de courant de court - circuit d'un dispositif(JSC). En outre,Haute sensibilitéEQE Mesure de la densité de courant de saturation composite de rayonnement sombre disponible pour évaluer le dispositif(J0,rad). UtilisationTechnologie Light 焱EnlitechdeQE-R EQEsystèmeEffectuer des mesures externes d'efficacité quantique.Haute sensibilitéEQE Alors utiliserTechnologie Light 焱EnlitechdePECT-600système(présentFTPS), le courant est amplifié et modulé par un amplificateur à verrouillage.

D4PABase etLe Me-4PACzDu dispositif de baseEQELe spectre montre une densité de courant d'intégration similaire. Haute sensibilitéEQEAffichage des mesures,D4PADu dispositif J0, radpour5,41 × 10^-21mA cm^-2, nettement inférieur àLe Me-4PACzDu dispositif9,87 × 10^-21mA cm^-2, qui montreD4PALa recombinaison non radiative du dispositif est efficacement réduite.

Figure 3ePour:PrésentéLe Me-4PACzetD4PADu dispositifEQELe spectre.

Figs. 53Pour:MontréLe Me-4PACzetD4PABasePSCHaute sensibilitéEQELa courbe.

Efficacité quantique électroluminescenteEL-EQE

Quantification directe de la perte d'énergie du dispositif en mode électroluminescence, élevéeEL-EQELes valeurs indiquent que les pertes composites non radiatives du dispositif sont faibles. À traversTechnologie Light 焱EnlitechdeELCT-3010Instruments(présentREPS)Appliquer une tension externe/La source de courant effectue la mesure.

D4PABasePSCdeEL-EQEJusqu'à 15,25%Bien au - dessusLe Me-4PACzde6,23%. Cela prouveD4PALa perte d'énergie du dispositif est efficacement réduite.

Figure 4fPour:ComparéLe Me-4PACzetD4PABasePSCEn mode diode électroluminescenteEL-EQELe spectre.

Suivi des points de puissance maximaleMPPTTest de stabilité

Évaluer les dispositifs encapsulés dans la simulation continue de la lumière du soleil (1 Soleil) à la stabilité de fonctionnement à long terme en fonctionnement continu au point de puissance maximale. Après EncapsulationPSCDans une atmosphère d'air, à température ambiante, en1Équivalent solaireLEDCourir sous la lumière. utiliserCompteur différentiel multipotentielTracez la sortie du point de puissance maximale et suivezISOS-L-1L'accord.

D4PALe dispositif de base affiche la stabilité de fonctionnement, fonctionnant en continu au point de puissance maximum 2500Après les heures, il conserve encore son efficacité initiale97,2%Ci - dessusBien meilleur que le dispositif de contrôle (2500Il ne reste plus que des heures après82,7%).

Figure 3iPour:Affichage du dispositif encapsulé en continu au point de puissance maximalAM 1,5 GNormalisation de la lumière solaire simuléePCEEvolution.

Autres caractérisations

Calcul théorique de la fonction densité(DFT)Calcul) et Calculer les prévisionsD4PAConformation moléculaire et comportement de liaison interfaciale, les résultats montrentD4PAAncrage à double site et énergie de liaison intermoléculaire inférieure(-1,5 eV contre Me-4PACz)de-2,356 eV)Inhibe efficacement l'agrégation moléculaire.(Fig.2g)

XSpectroscopie photoélectronique des rayons(XPS) Analyse de l'état chimique de surface du matériau,D4PADans le filmPbLe décalage apparent des pics caractéristiques confirme l'existence d'interactions interfaciales plus fortes avec la couche de pérovskite.(Figure 2a)

Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier(FTIR) Suivi des variations du mode de Vibration moléculaire en fonction de la température,D4PAdeP = OLes pics de vibration se déplacent et restent stables à basse température, ce qui indique une liaison forte à un stade précoce.(Figure 2c)

Microscope de force de sonde de Kelvin(KPFM) Mesurer la distribution du potentiel de surface,D4PALe film conserve toujours un potentiel de surface uniforme et stable après chauffage, confirmant queITOLa stabilité thermique du collage est améliorée.(Figure 15)

Temps de vol spectrométrie de masse des ions secondaires(TOF-SIMS) Analyse de la distribution de profondeur des éléments,P+Affichage du signalD4PADispersé uniformément dans toute la couche de pérovskite au lieu de s'agglomérer à l'interface.(Figure 1b)

Diffusion dynamique de la lumière(DLS) Surveiller le comportement d'agrégation moléculaire en solution,D4PADans12Taille des particules après l'heure seulement à partir de62 nmAugmenter à102 nm, significativement moinsLe Me-4PACzde211 nmAugmenter àde 405 nm- Oui.(Figure 2i)

Incidence rasante grand angleXDiffusion de rayons etXDiffraction des rayons(GIWAXS/XRD) Caractérisation de la structure cristalline du film mince,D4PADans le basQL'intensité de diffusion de la zone de valeur est nettement diminuée, formant une structure de phase amorphe hautement désordonnée.(Figure 24)

Spectroscopie Raman liée à la polarisation Sonder l'orientation de l'arrangement moléculaire, confirmation supplémentaireD4PAStructure unique inhibe la pile moléculaire ordonnée.(Figure 27)

Cartographie de la photoluminescence et Photoluminescence résolue dans le temps(PL)Mapping/ trpl) évaluer l'efficacité d'extraction des charges,D4PALe film présente une faible intensité plus uniformePLDistribution, la réduction significative de la durée de vie des porteurs indique une amélioration de l'efficacité d'extraction du trou électrique.(Fig.4a-c)

Analyse de densité d'état piège(tDOS)Analyse) et Quantification de la densité des états pièges,D4PADispositif de base dans une zone de piège profond(0,4-0,5 V)Affichage inférieurtDOS, confirme la passivation efficace des défauts profonds.(Figure 4d)

conclusion

La recherche par l'introductionNouveau type depPetites molécules de typeD4PA, dans la cellule solaire pérovskite (PSC), le domaine a obtenu des résultats de recherche révolutionnaires qui l'ont considérablement amélioréEfficacité, stabilité et faisabilité du processus- Oui.

· Conception moléculaire unique et mécanisme d'actionPour:

o D4PAEst une sorte deBimèrespPetites molécules de type, dont分子内C-CCouplageDans les deux dibenzo[c, g]Carbazole (DBC), entre les unités, introduit puissantRésistance spatiale- Oui.

o Cette structure permetD4PAAvecConformation rigideEt à traversLiaisons hydrogène intramoléculairesDavantage de stabilité.

o D4PAPeut être avecITOFormation du substrat et de la couche de pérovskiteForte action d'ancrage Multi - sites, en particulierDouble Terminal (2T) Configuration d'ancrage- Oui.

· Inhibition efficace de l'agrégation moléculairePour:

o D4PAFaible énergie de liaison intermoléculaire (environ***-1,495 eV**), confirmant sa forte résistance spatialeInhibition efficace de l'agrégation intermoléculaire- Oui.

o DLSEt,GIWAXSetXRDL'analyse montre,D4PASe manifeste dans la solution de précurseurTendance à l'agrégation inférieureEt formeStructure de phase amorphe hautement désordonnée, inhibe efficacement l'empilement ordonné et la cristallisation des molécules.

o Cela garantitD4PADans l'eau d'encre pérovskiteDispersion uniformeEt prolonge la solution de précurseurDurée de vie opérationnelle- Oui.

· Interactions d'interface améliorées et défauts de passivationPour:

o XPSetFTIRL'analyse montreD4PAPrésence entre et la couche de pérovskiteInteraction interface plus forteEt formé tôt dans la croissance des grainsLiaison forte- Oui.

o D4PAde2TÉnergie de configuration d'ancrageDéfauts profonds de la surface pérovskite passivée efficacement(p. ex. lacunes en iode, lacunes en iode et iode/La contre - position du plomb), ce qui réduit considérablement la densité de l'état piège.

o PLImage etSéquence principaleAffichage des données,D4PADu film minceL'efficacité d'extraction des trous électriques est améliorée et plus uniforme- Oui.

o D4PADu dispositif de baseFractionnement de niveau quasi Fermi (QFLS) valeur toujours plus élevée, l'inhibition des défauts et l'amélioration de la recombinaison non radiative ont été en outre vérifiées.

· Performance du dispositifPour:

o Basé surD4PALa cellule solaire en pérovskite a été réaliséeJusqu'à26,83%deEfficacetaux（L'efficacité certifiée est26,72%), dépassant significativement le dispositif de contrôle.

o Tension en circuit ouvert pour les meilleurs dispositifs (COV) atteint1,200 V, densité de courant de court - circuit (JSC) pour26,11 mA cm^-2Facteur de remplissage (FF) pour85,63%- Oui.

o Suivi certifié du point de puissance maximale (MPPT) Efficacité atteinte26,14%- Oui.

· Excellente stabilité à long termePour:

o Après EncapsulationD4PALe dispositif de base montre la stabilité de fonctionnement, au point de puissance maximum (MPP) fonctionnement continu2500Reste au - delà des heures97,2%Efficacité initiale- Oui.

o D4PAFilm etITOLa stabilité thermique du collage est renforcée.

o D4PALes encres pérovskites ont une durée de stockage plus longue,12Après une heure de stockage,D4PAL'efficacité moyenne du dispositif ne diminue que légèrement0,32%Tandis que le dispositif d'encre de référence est tombé1,81%- Oui.

· Faisabilité d'un processus à grande échellePour:

o Cette étude à traversMéthode de grattageLa zone efficace a été fabriquée avec succès pour10,86 cm2Le mini module pérovskite, dontEfficacité atteinte23,37%（CertificationMPPTL'efficacité est22,66%).

Ce résultat montreD4PADansSimplification du processus continu de commercialisationUn grand potentiel en termes de cellules solaires pérovskites haute efficacité et évolutives.

Référence bibliographique de nature Photonics - doi: 10.1038 / s41566 - 025 - 01725 - X

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