Contexte et défis de la recherche

Cellule solaire pérovskite (PSC), bien que les dispositifs de petite surface montrent des progrès révolutionnaires, maisModules de grande surface (PSMLe goulot d'étranglement de la performance reste un obstacle majeur à la commercialisationLe problème fondamental estDifficultés de contrôle de la qualité des films de pérovskite de grande surface- Oui.

Préparation de petites surfaces par rapport à une préparation en milieu inerte de laboratoire,La fabrication de grandes surfaces fait face à des contrôles complexes de la dynamique de cristallisation et à des défis environnementaux difficiles, entraînant une perte d'efficacité significative de la batterie au module. Les principales difficultés techniques sont les suivantes:

1. Complexité du contrôle du processus: la préparation de la solution implique une coordination précise de la concentration du précurseur, des caractéristiques du solvant et des paramètres du processus, l'interaction de ces facteurs rend difficile la formation d'un film dense et homogène, limitant la large fenêtre de fonctionnement requise pour les processus de préparation de grandes zones.

2. Contradiction dans la stabilité des matériaux: Bien que le méthylamide (FA), ou du césium (Cs) Remplacement de la méthylamine volatile (MA), peut augmenter la stabilité thermique, maisRienMAdeFACPérovskite facile à produire une mauvaise phase intermédiaire et comportement cristallin difficile à contrôler; et l'excèsCsIl en résulte un affinement des grains et une diminution de la cristallinité. En outre,FA+La grande taille des ions crée facilement des contraintes résiduelles nocives dans le film mince.

3. Sensibilité environnementale: l'humidité et l'oxygène dans l'air sont hautement réactifs à l'halogénure de plomb - pérovskite, ce qui peut provoquer des changements de phase destructeurs et la désintégration structurelle, ce qui affecte gravement la stabilité du dispositif.

4. 研究策略局限: régulation des composants existants, ingénierie des additifs et autres méthodes Multi - focus Single orientation,Absence de stratégie d'intégration pour résoudre simultanément le contrôle de cristallisation et la stabilité environnementale, de sorte que la préparation de grande surface de haute qualitéFACLes films de pérovskite restent un défi technique majeur.

Équipe de recherche

Cette étude a été réalisée parL'équipe de l'Université des sciences et technologies de Huazhong ChenPublié dans Academic Journal« deMatériaux énergétiques avancésLe)- Oui.L'équipe de recherche propose l'introduction d'additifs bifonctionnels– –Mercaptoacétamide (mercaptoacétamide, MAA) Stratégie d'innovationIl vise à résoudre simultanément le double défi du contrôle de la qualité et de la stabilité environnementale des films de pérovskite dans la fabrication à grande échelle.

MAAMécanisme d'action central des additifsInclus:

• Régulation de la dynamique de cristallisation: retarde la vitesse de cristallisation, élargit la fenêtre de processus, favorise la formation de gros grains et améliore l'orientation cristalline

• Passivation des défauts et amélioration de la qualité: Passivation efficace des défauts de lacunes, amélioration de l'uniformité et de la cristallinité du film

• Fonction de protection de l'environnement: avec une forte réductibilité, protège le film de pérovskite contre l'hydrolyse et les dommages oxydatifs dans l'environnement de l'air

À traversMAAInteractions multiples avec les composants pérovskites, la stratégie a réussi à atteindreOptimisation synergique du contrôle de cristallisation et de la stabilité environnementale, offre une solution efficace pour la préparation de films de pérovskite de haute qualité sur une grande surface.

Méthodes expérimentales et processus de recherche

Figure 6a

研究以Additif bifonctionnel mercaptoacétamide (MAA) etPour le noyau, une route technique complète des dispositifs de petite surface aux modules de grande surface est établie, combinée à des calculs théoriques pour résoudre en profondeur les mécanismes d'action.

1. Système de matériaux clés: adoptéFACSystème pérovskite (FAIEt,PbI₂Et,du CsBr), appariementC60Couche de transport électronique,poly-4paczCouches monomoléculaires auto - assemblées, ainsi que des innovations introduitesMAAAdditif à double fonction.

2. Itinéraire techniquePour:

l Traitement du substrat et préparation de la couche fonctionnellePour:Mise en œuvre libreAprès lavage standard du substrat, dépôt séquentielNiOxCouche de transport de trous électriques etSAMCouche interface

l Préparation de la couche de pérovskite: différentes concentrations serontMAAIntroduction de la solution de précurseur, en utilisantDépôt par la méthode de revêtement de lame, avec traitement sous vide et recuit thermique pour former un film de haute qualité

l Complétion du dispositif: préparation séquentiellePEAICouche de passivation,C₆₀/ BCPCouche de transport électronique etCuLes électrodes.Tous les processus de fabrication, à l'exception des électrodes métalliques, sont effectués dans l'air ambiant

3. Validation à l'échelle: extension réussie du processus à5 x 5 cmet14 x 14 cmSubstrat de grande surface, interconnexion en série de sous - batteries par technologie de rayonnage, facteur de remplissage géométrique du module jusqu'à96%- Oui.

4. Théorie et validation des performances: combiner la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) Clarification des calculsMAAMécanisme d'inhibition des défauts et effectuer des tests de stabilité à long terme dans des conditions photothermiques et humides pour valider pleinement l'effet de l'additif.

Méthodes de caractérisation et résultats

Division d'ordre quasi - fermien(QFLS)

Division d'ordre quasi - fermien (QFLS), est un pointeur clé pour mesurer le potentiel de tension en circuit ouvert des matériaux, tout en révélant la source des pertes composites non radiatives. Cette étude par Photoluminescence rendement quantique (PLQY) mesuréÉvaluation quantitativeMAAEffet de passivation sur les défauts- Oui.

Affichage des résultats,ParMAAFilm de pérovskite traité, quiPLQYValeur jusqu'à0,94%Beaucoup plus élevé que le groupe témoin0,25%. Cela représente une réduction significative de la recombinaison non radiative à l'intérieur du film mince, annonçant les performances du dispositif, en particulier la tension en circuit ouvert (COV), l'élévation. selonPLQYCalcul de la valeur,ΔQFLSAugmenté34,04 méVCeci avec le dispositif completCOVL'augmentation est compatible.

Figure 4g. Valeurs PLQY des films de perovskite sans ou avec MAA déposé sur des substrats de verre.

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J-VMesure des courbes(courant électrique-Courbe de tension) et

J-VCourbe pour la mesure directe des cellules et modules solairesEfficacité de conversion photoélectrique(PCE), densité de courant de court - circuit(Jsc), tension en circuit ouvert(Voc)Et facteur de remplissage(FF)- Oui.

Résultats:

◦ Dispositifs de petite surface: OptimiséMAACellule solaire pérovskite de petite surface traitée (zone efficace0,09 cm²), réalisé25,52 % de PCE, les paramètres spécifiques sontCJ 24,76 mA cm⁻²Et,Voc 1,203 VetFF 85,68 %. En revanche, les dispositifs de contrôlePCEpour23,46%, principalement en raison deVocetFFBaisse significative. En outre,MAAIndice d'hystérésis du dispositif (Indice H) pour0,63%Significativement mieux que le groupe témoin2,17%

◦ Modules de taille moyenne: Extension du processus à11,09 cm²Le module,MAALe module traité est implémenté sous balayage inverse 22,87%dePCE(stablePCEpour22,48%), dontVocpour5,952 VEt,Jsc 4,70 mA cm⁻²Et,FF 81,75 %Et montre une bonne reproductibilité. Du moduleIndice Hpour1,48%Le Groupe de contrôle est2,61 % [S5]- Oui.

◦ Modules de grande surface: Dans une plus grande zone (113,00 cm²), sur le module,MAALe dispositif traité est également mis en oeuvre 20,18%dePCE- Oui.

Figure 6b. Courbes J-V des PSC champions pour le contrôle et le MAA

Figure 6c. Courbes I-V des PSM champions sans ou avec modification MAA (surface d'ouverture 11,09 cm2, 5 sous-cellules)

Figure 6f. Courbes I-V des PSM champions avec modification MAA (surface d'ouverture 113,00 cm2, 14 sous-cellules)

Dans la mesure de l'efficacité des cellules solaires,EnliTechdeSS-X AM1.5GSimulateur de lumière solaire Spectral standardOffertStable et précisAM1.5GSource de lumière, dont A+Classe spectraleAssure la protection contre les nouvelles cellules solaires (telles que la pérovskite/Caractérisation précise des cellules empilées de silicium).

Efficacité quantique externe(EQE)Le spectre

EQEMesure spectrale pourÉvaluer l'efficacité du dispositif à convertir des photons incidents en électrons (courants) sous différentes longueurs d'onde de lumière. Il peut vérifierJ-VMesure du résultatJSCValeurs et fournissent les caractéristiques de réponse du dispositif dans différentes gammes spectrales.

Les résultats montrent que le dispositifEQEIntégration spectrale JSCLa valeur est23,73 mA cm⁻², avecJ-VLes mesures sont cohérentes.(Figure S24) et

Pour l'analyse de l'efficacité quantique des cellules solaires,EnliTechdeQE-RSystème de mesure d'efficacité quantiqueEst global1000Plusieurs articlesSCILe choix de confiance de la thèse. Il offre EQE/IQE/IPCE/SRCapacité de test, avec 300 à 2500 nmLarge gamme de longueurs d'ondeetSupérieure à99,5%La répétabilité- Oui.

Autres caractérisations

Analyse de la morphologie des films minces et de la structure cristalline(SEM, AFM, XRD, GIWAXS) ÉvaluationMAAEffet sur la microstructure des films minces de pérovskite.MAATaille des grains après introduction à partir de199 nmAugmenter à386 nm, diminution de la rugosité du film,(100)L'orientation préférentielle des cristaux est renforcée et la déformation résiduelle en traction est considérablement diminuée.(Fig. 2a-i)

Analyse cinétique des porteurs(PL, TRPL, FLIM) Évaluer l'effet de passivation des défauts par rapport aux caractéristiques de transfert de charge.MAAAprès le traitementPLIntensité considérablement améliorée, durée de vie des porteurs à partir de366,9 nsProlongée à867,1 ns,FLIMInterface d'affichage amélioration de l'efficacité d'extraction électronique.(Fig. 4d-f)

Structure de bande d'énergie et potentiel de surface(UPS, KPFM) AnalyseMAAEffet régulateur sur l'alignement des niveaux d'énergie.MAALe traitement rend la fonction de travail décalée vers le haut, le bas de la bande de guidage décalé en conséquence, le film présente plus fortnCaractéristiques du type,KPFMMontre que la distribution de potentiel de surface est plus uniforme, favorisant le transfert de charge.(Figure 4a-c)

Surveillance en temps réel de la dynamique de cristallisation(Microscope optique in situ,In situPL) SuiviMAAMécanisme de régulation du processus de cristallisation.MAARetarde considérablement la vitesse de cristallisation, élargit la fenêtre de processus, pendant le recuitPLL'amélioration continue de la force montre une amélioration de la qualité du film.(Fig. 3a-h)

Validation des calculs théoriques(DFT) ClarifierMAAMécanisme moléculaire d'inhibition des défauts. Affichage des résultats du calculMAAFormation de lacunes après Adsorption peut améliorer, inhibition efficaceVPbEt,VIEt,VFAFormation des défauts égaux.(Figure 4h)

Stabilité thermique et résistance à l'oxydation(Changement de température in situXRD,Analyse par spectrométrie de masse) et ÉvaluationMAAEffet protecteur sur la stabilité du matériau.MAATempérature de décomposition thermique du film à partir de160°CÉlevé à180°C, avec restaurationI2pourJe⁻Capacité à inhiber efficacement l'oxydation des précurseurs.(Fig. 5a-i)

Stabilité opérationnelle à long terme(Chaleur lumineuse/Test de chaleur humide) et Vérifiez la durabilité du packaging dans un environnement d'application réel. Dans des conditions photothermiques1120Tenir après les heures94,5%Efficacité, conditions humides et chaudes550Tenir après les heures95,6%Efficacité.(Fig. 6g-h)

conclusion

L'équipe de recherche a développé avec succèsMercaptoacétamide (MAA) Stratégie Additive bifonctionnelleRésoudre systématiquement les problèmes de contrôle de cristallisation et de stabilité environnementale dans la fabrication de modules solaires à grande surface en pérovskite.

Percée technologique de base:

1. Optimisation de la dynamique de cristallisationPour:MAARetarde la vitesse de cristallisation et élargit la fenêtre de processus, la taille des grains de199 nmAugmentation significative386 nm，(100)L'orientation préférentielle des cristaux est renforcée et la déformation résiduelle fortement diminuée.

2. Passivation efficace des défauts: durée de vie des porteurs à partir de366,9 nsProlongée à867,1 ns,PLQYde0,25%Élevé à0,94%,DFTConfirmation des calculsMAAInhibe efficacement la formation de défauts de lacunes.

3. Régulation de la bande d'énergie et transfert de charge: fonction travail à partir de-4,85 eVAjustement à-4,64 eV, promotion du déplacement vers le Haut de la bande de guidagenCaractéristiques de type, la distribution du potentiel de surface est plus uniforme, l'efficacité d'extraction électronique de l'interface est améliorée.

4. Stabilité environnementale accrue: température de décomposition thermique à partir de160°CÉlevé à180°CCi - dessus,MAALes propriétés réductrices inhibent efficacement l'oxydation du précurseur et renforcent la stabilité intrinsèque du matériau.

5. Performance du dispositif:

• Petite zonePSCAtteint25,52%Haute efficacité

• 11,09 cm²Réalisation de mini - modules22,87 % de PCE(efficacité stable22,48%) et

• 113,00 cm²Module de grande surface atteint20,18 % de PCE

Excellente stabilité à long terme: conditions photothermiques1120Tenir après les heures94,5%efficacité, conditions thermiques humides550Tenir après les heures95,6%efficacité

Référence bibliographique de Advanced Energy materials - doi: 10.1002 / aenm.202502193

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