Forschung Schwierigkeiten und Herausforderungen

Breite Energielücke(WBG)Nickeloxid als Hohllochtransportschicht in Unterbatterien(NiOx)Einmolekulare Schicht mit Selbstmontage(SAM)Die Schnittstellenkontaktprobleme zwischen ihnen beschränken die Effizienz und Stabilität des Geräts erheblich.

Die bestehenden Technologien stellen folgende Herausforderungen dar:

•NiOxKorrosionsprobleme:Traditionell weit verbreitetSAMsBeispielsweise Phosphorsäure enthalten.(PA)Als AnkergruppeSAMs (PA-SAMs)SeinStärkere Säureleicht korrosiert und chemisch reaktivNiOxSchicht, schädigt.NiOxIntegrität und Funktionalität der Schicht, was die Stabilität des Geräts schwächt.

•SAMMolekulare Aggregation und Schnittstellenprobleme： TraditionSAMsMoleküle sindNiOxOberfläche leicht auftretenSammlung PhänomenUngleichmäßige Folien führen zuSchnittstellenverlust，Auswirkungen auf die Effizienz der Trägertransmissionund verursacht bemerkenswerteOffene Spannung(VOC)Verlust.

Forschungsteam und Erfolge

Diese bahnbrechende Studie über leistungsstarke Vollperovskit-Solarzellen wurde vonInstitut für Materialtechnik und Ingenieurwesen von Ningbo der chinesischen Akademie der WissenschaftenTeamleitung, veröffentlicht in führenden internationalen wissenschaftlichen ZeitschriftenNaturkommunikation.

Das Forscherteam hat erfolgreich eine schwache Säure entwickeltBorsäure FunktionalisierungSAMNicht nur...Wirksam unterdrücktNiOxKorrosionEs kann auch eine gleichmäßigere und bindende Schnittstellenschicht bilden, was die Effizienz der gesamten Perovskit-Solarzellen erheblich verbessert und die langfristige Betriebsstabilität des Geräts erheblich verbessert.

BildS6: das ursprüngliche Problem gelöst (Korrosion)

Zu den Kernleistungen der Forschung zählen:

•LösungNiOxKorrosionsprobleme:Erfolgreiche EntwicklungSäure schwächere Selbstmontage monomolekulare Schicht(SAM)deutlich reduziert Nickeloxid(NiOx)Korrosion der Hohllochtransportschicht zur Verbesserung der Schnittstellenstabilität.

•VerbesserungenSAMFilmqualität:Neuer TypSAMZeigt eine stärkere Schnittstellenbindungskraft und gleichmäßigere Membraneigenschaften, die Traditionen effektiv überwindenSAMMoleküle sammeln sich leicht und decken ungleiche Probleme ab.Verringerung der Schnittstellenverluste.

•Optimierung der Perovskitfilmqualität:Die verbesserte Schnittstelle fördert das gleichmäßigere Wachstum von Perovskitkristallen, reduziert Mängel und unterdrückt effektiv die durch Licht verursachte Phasenabscheidung und verbessert die Filmqualität und Stabilität.

•erhebliche Verbesserung der Geräteeffizienz:Breite Energiespalte(WBG)Effizienz der Batterie durch18.9%Erhöhen auf20.1%Vollständige Perovskit-Solarzellen(TSCs)Mehr Effizienz erreicht28.5%.

•Erhöhung der Betriebsstabilität:Die Forschungsergebnisse haben die Stabilität des Geräts erheblich verbessert und die gesamte Perovskit-Batterie in kontinuierlicher Beleuchtung 500 Nach einer Stunde bleibt die anfängliche Effizienz erhalten.90%.

Experimentelle Schritte und Prozesse

Bereitstellung von Schnittstellenmaterialien und Folien: Forschungsteam bereitet mehrere selbstmontierte monomolekulare Schichten vor(SAM)Material und inITOAblagerung auf leitendem GlasNiOxSchichten undSAMsBildungDies / NiOx / SamsFilmstruktur. Gleichzeitig Traditionen vorbereitenSAMMaterial(wieMe-4PACz )als Kontrollgruppe. Einige Proben werden nach Vorbereitung mit Ethanol gereinigt, um die Restmoleküle zu entfernen.

Herstellung von Single-Knot-Breitgap-Solarzellen: VorbereitetITO/NiOx/SAMDie dünne Folie als Hohllochtransportschicht, die Perovskitfilm mit breitem Spalt und der Ablagerung der Elektronentransportschicht in der Reihenfolge verteilt wird(C60)undALD SnO2)Und Silberelektrode, um die Herstellung einer einzigen Knoten breiten Spaltbatterie zu beenden.

Herstellung voller Perovskit-Solarzellen: Integration von Breitenergie-Spaltbatterien mit schmalen Spaltbatterien für Perovskit-Mineralbatterien, um eine zweigehende, voll-Perovskit-Solarzelle aufzubauen. Die komplette Struktur ist:ITO/NiOx/SAM/Breite Energiespalt Perovskit/ C60 / SnO2 / Au / PEDOT: PSS /Perovskit mit engem Spalt/ C60 / BCP / Ag.

Bewertung der Batterieleistung: unter Standard-Testbedingungen(1 Sonne, 100 mW/cm2)Im Folgenden messen Sie den Strom der einzelnen und überlagerten Batterien-Spannungseigenschaften zur Bewertung von Schlüsselparametern wie der Effizienz der optischen Umwandlung, der offenen Schaltungsspannung, der Kurzschlussstromdichte und des Füllfaktors. Synchronisieren Sie die Nachverfolgung der stationären Leistungsausgabe und die Messung der externen Quanteneffizienz.

Stabilitätstests durchführen: Durchführung kontinuierlicher Lichtverfolgungstests auf die überlagerten Batterien nach der Verpackung500Stunden zur Bewertung der langfristigen Betriebsstabilität. zusätzlich durchgeführt85℃Hochtemperatur-Lichtalterungstests zur Überprüfung der thermischen Stabilität der Batterie.

Charakterisierung und Ergebnisse

Quasi-Fermi-Spaltung(QFLS)

Messung der maximalen theoretischen offenen Spannung des Materials unter Licht(iVOC)Indikatoren, die direkt das Ausmaß der nicht-strahlenden Verbundverluste widerspiegeln. Die Studie ergab, dass mit reinem PerovskitfilmQFLSIm Vergleich zur TraditionDie Me-4PACzPerovskit der SchnittstelleQFLSdeutlich reduziert auf1,296 eVZeigtSchwere SchnittstellenkombinationenVerwendung neuer TypenS-BA-SAMNach der Behandlung,QFLSNur von1,326 eVleicht reduziert auf1,322 eVIn der Nähe des reinen Filmwertes, wieBild5fDirekter NachweisS-BA-SAMerheblich reduziert.NiOx/Perovskit-Schnittstelle nicht-strahlender Verbundverlust.

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Strom-Spannung(J-V)Eigenschaften und Stabilitätsausgang(SPO)Test

Messung der fotoelektrischen Umwandlungsleistung von Solarzellen bei Standardbeleuchtung und Bewertung der Stabilität des Geräts. Standards durchführenJ-VTests müssen entsprechendDer AM1.5GSpektralstandard-Sonnensimulator.EnlitechderSS-XDie Sonnensimulatoren der Serie werden in zahlreichen Literaturen zitiert und bieten eine hochpräzise und stabile Beleuchtung.

Bild6cDarstellung der Subbatterien und der EndbatterienJ-VKurven. Nach dem neuen TypS-BA-SAMBreite Energielücke nach Optimierung(WBG)Sub-Batterie Effizienz von der Kontrollgruppe18.9%Erhöhen auf20.1%. Die endgültig montierte komplette Perovskit-Batterie erreicht die höchste 28.5% Effizienz.

Bild6dDie Ausgangskurve der stationären Leistung zeigt, dass das Gerät kontinuierlich1 SonneLichtverfolgung 500 Nach einer Stunde bleibt die ursprüngliche Effizienz erhalten.90%Es zeigt eine hervorragende langfristige Stabilität.

Externe Quanteneffizienz(EQE)

Das Forschungsteam nutzteEnlitechderREPSDie Messgeräte wurden durchgeführt.EQEMessung, Messung der Effizienz des Geräts, das Strom unter Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen erzeugt, zur Analyse der Reaktion des Geräts auf verschiedene Spektren und zur Berechnung der theoretischen Kurzschlussstromdichte(JSC)undJ-VDie Testergebnisse werden gegenseitig verifiziert.

Bild6ePräsentiert eine komplette Perovskit-BatterieEQESpektrale Linie, die zeigt, dass die Breitenergie-Spaltbatterie im Bereich der kurzen Wellenlängen (ca.300 bis 750 nm(und enge Energielücke)(NBG)Unterbatterien im Bereich der langen Wellenlängen (ca.650 bis 900 nmEffektive Quanteneffizienz. vonEQEBerechnete SubbatterienJSCWerte(16.0und16,2 mA cm^-2)undJ-VDie Testergebnisse passen gut zusammen und bestätigen die Genauigkeit der Leistungsdaten.

Quanteneffizienz(PLQY)

Die Effizienz des reflektierenden Materials oder der dünnen Folienstrahlungskomposite ist negativ mit Verlusten der nicht-strahlungskomposite verbunden.

BildS54：NiOx/Me-4PACz/Proben von PerovskitPLQYdeutlich niedriger als reine Perovskitfilm, erneut bestätigtSchwere SchnittstellenkombinationenUnd.NiOx/S-BA-SAM/Perovskitproben zeigen höherePLQY (0,247%)undQFLSDas Ergebnis ist einheitlich,Neue BeweiseSAMEffektiv unterdrückt die Schnittstellenkomposition.

Atomkraftmikroskop(KPFM)

Messung des Oberflächenpotentials(CPD)Analyse der Energieebene, Gleichmäßigkeit und Fehlverteilung der Materialfunktion und der Schnittstelle.

Bild1h-o：NiOx/SAMOberflächeKPFMBild undCPDDie Verteilung zeigt,S-BA-SAMBearbeitetNiOxOberflächeCPDEine engere Verteilung zeigtSAMSchichten gleichmäßiger.

Bild4a-e：Perovskit-EinbettungsschnittstelleKPFMDie Analyse zeigt auchS-BA-SAMBearbeitete SchnittstelleCPDVerteilungFWHMDie Schnittstelle ist schmaler und das Potential ändert sich nach der Alterung des Lichts geringer, was bedeutet, dass die Schnittstelle gleichmäßiger und stabiler ist.

XOptoelektronisches Spektrum(XPS)

Analyse der Zusammensetzung und chemischen Zustand von Oberflächenelementen speziell für die ForschungSAMundNiOxDie Interaktion zwischen undNiOxchemischen Veränderungen.

Bild1g：Ni 2p3/2 XPSSpektrallinien zeigen,S-BA-SAMBearbeitetNiOxim VergleichDie Me-4PACzDer verarbeitete Spitzenwert hat eine Verschiebung in Richtung niedriger Bindeenergie, was darauf hindeutetS-BA-SAMundNiOxEs gibt eine stärkere Ladungsübertragung und Wechselwirkung zwischen ihnen.

WinkelschießenXStrahlenbildung(GIXRD) /Breite EckeXStrahlenverstreuung(GIWAXS)

Analyse der Kristallstruktur, Kornorientierung und Spannung der Dünnfolie.

Bild3i-k：GIWAXSSpektrogramm zeigt, dass die Kontrollgruppe Film auftreten Diffraktionsspitze Spaltung durch die Verzerrung des Gitters verursacht, währendS-BA-SAMDie Filme haben kein Phänomen, was darauf hindeutet, dass die Spannung geringer ist.S-BA-SAMVerbesserung der Perovskitfilmbildung(100)Orientierung, fördert die Trägertransmission.

Induktiv gekoppeltes Plasmaemissionsspektrum(ICP-OES)

Messung des Gehalts an Metallelementen in der Lösung zur BewertungSAMgegenNiOxKorrosionsgrad des Films.

BildS6: wirdDiese / NiOxFilm eingetaucht in unterschiedlichenSAMNach der Anwendung der LösungS-BA-SAMGehalt an Nickel durch die in der Lösung eingeweichte Folie freigegeben(29 µg/L)Weit weniger als verwendetDie Me-4PACzFilm der Lösung(87 µg/L)Der neue Typ wurde direkt bestätigt.S-BA-SAMerheblich reduziert.NiOxKorrosionswirkung der Schicht.

Dichtefunktionstheorie(DFT)und molekulare Dynamik(MD)Simulation

Tiefgehendes VerständnisSAMMoleküle undNiOxAdsorptionsmechanismus zwischen Oberflächen, Bindungsenergie, Ladungsverteilung, Energiestufe undSAMmolekulares Verhalten im Bildungsprozess.

Bild1a bis f：DFTBerechnet.SAMMoleküle sindNiOxAdsorptionskonfiguration, Differenzladungsdichte und Elektronenlokalfunktion von Oberflächen (einschließlich sauerstofffreier Oberflächen)(ELF)Abbildung. Die Berechnungsergebnisse zeigenS-BAundNiOxEs gibt eine stärkere Bindungskraft zwischen, insbesondere Benzodithiophen undNiEs gibt zusätzliche Interaktionen zwischen ihnen. BildS1644derMDDie Simulation zeigtSAMVerteilung der Moleküle an der OberflächeHomogenität, theoretisch unterstützt neue TypenSAMDie Annahme, dass eine homogene Folie entsteht, hilft.

Andere Merkmale

•Scan-Elektronenmikroskop(SEM)： Beobachten Sie die Oberfläche und die Schnittform der Geräte, um die Korngröße, die Form, die Mängel und die Veränderungen im Alter zu bewerten.(Bild)6bBild3e-h）

•Lichtverteilung(PL Karte)： Filme zur Verfügung stellenPLDie räumliche Verteilung der Intensität zeigt intuitiv die Gleichmäßigkeit und den Fehlerbereich der Folie.(wie im Bild)S50）

•Zeitliche Analyse von Licht(TRPL)： Die Messung der Lebensdauer des Lichtträgers reflektiert die Gesamtgeschwindigkeit der Körperphase oder der Schnittstelle.S-BA-SAMLangere Lebensdauer der verarbeiteten Dünnfilmträger.(Bild)5j）

•UV-Elektronenspektrum(UPS)： Die Bestimmung der Funktionsfunktion und der Position des Materials auf Energieebene hilft beim Aufbau eines Energieebenendagramms, um die Ladungsübertragung zu verstehen.(Bild)4f）

•Raumladungsbegrenzungsstrom(SCLC)Analyse: Beurteilung der Trägermigration und der Dichte der Hohllochtransportschicht,S-BA-SAMRückbehandlungsdichte verringert.(Bild)S39）

•Elektrochemisches Impedanzspektrum(EIS)： Analyse der Ladungsübertragung und der zusammengesetzten Impedanz innerhalb des Geräts.S-BA-SAMDas Gerät weist einen höheren zusammengesetzten Widerstand auf.(Bild)5i）

•Kontaktwinkelmessung: Beurteilung der Perovskit-Vortriebsflüssigkeit inSAMBehandlung der Feuchtigkeit der Oberfläche, die die Kernigation und das Wachstum der Folie beeinflusst.(Bild)S34）

•Standort(Vor Ort) UV-VisAbsorptionsspektrum undPLSpektrum: Überwachung der Kernformation und Kristallisationsdynamik von Perovskitfilmen beim Rotationsprozess(Bild)2b und c）.

•Zweites Ionenmassenspektrum der Flugzeit(TOF-SIMS)： Analyse der Tiefenverteilung der Elemente in der Gerätestruktur zur Untersuchung der Migration der Elemente während des Lichtalterungsprozesses.(Bild)S33）

•Fourier-Transformation des Infrarot-Spektrums(FTIR)： AnalyseSAMMoleküle und Perovskit-VorläuferFAIWechselwirkungen zwischen Molekülen(wie im Bild)2a）.

Schlussfolgerungen

Das Forschungsteam hat eineNeue schwachsäure Borsäure funktionalisiert sich selbst in einer monomolekularen Schicht(S-BA-SAM)für die Modifikation der Breitenergie-Spaltbatterien in den gesamten Perovskit-SolarzellenNiOxSchnittstelle der Elektrolochtransportschicht.

Die wichtigsten Forschungsergebnisse sind:

Verbesserte Stabilität der Schnittstelle：S-BA-SAMundNiOxFeste Bindungen bilden, wirksamUnterdrückenNiOxKorrosionBessere Leistung als herkömmliche PhosphorsäureSAMsund fördern inNiOxOberflächeGleichmäßige FolieVerbesserung der Schnittstellenformation und Abdeckung.

Optimierung der Filmqualität:Die Schnittstellenmodifikation optimiert den Perovskitfilmkristallisationsprozess erheblich und fördertGleichmäßige HalogenverteilungundUnterdrückung der LichttrennungVerbessert die Filmqualität und die Lichtstabilität erheblich.

Verbesserte Trägertransmissionen:Optimierte Schnittstellen beschleunigen die Trägertransmission,Verringerung der Verluste von nicht-strahlenden Komponenteneffektiv die Lebensdauer des Trägers verlängern.

erhebliche Effizienzsteigerung:Mit einer breiten Energiespaltbatterie, die die Schnittstellenschicht optimiert, ist die optische Umwandlungseffizienz von18.9%Erhöhen auf20.1%. Die integrierten überlagerten Solarzellen an beiden Enden wirken noch stärker28,5 % PCEDer ausgezeichnete Rekord.

Langfristige Stabilität:Dank der breiten EnergiespalteDie Batterie.VerbesserungenDas Stapel.Geräte anzeigenBetriebsstabilitätIn1 SonneMaximale Leistungspunktverfolgung500Stunden später,Aufrechterhaltung der ursprünglichen Effizienz90%über.

Referenz von nature communications_DOI: 10.1038/s41467-025-59515-6

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