Forschungsergebnisse und Perspektiven

Zur Optimierung der Schnittstellen in Perovskit-Solarzellen,Prof. Chen Wei und Prof. Liu Zhonghao von der Chinesischen Universität für Wissenschaft und TechnologieZusammen.Shenzhen Berufstechnische Universitätvon Jingbai LiDas Professorenteam machte einen großen Durchbruch, indem es die Mischung vertieftSelbstmontierende Einzelmolekularschicht(SAM)Mechanismen der intermolekularen Wechselwirkungen während der AblagerungDie Studie wurde in einer der führenden Zeitschriften veröffentlicht.Naturkommunikation", unter dem TitelModulation der wettbewerbsfähigen Adsorption von hybriden selbstmontierten Molekülen für effiziente Breitbandgap-Perovskit-Solarzellen und Tandeme»

Das Forscherteam hat eine bahnbrechende Schnittstellenmodifikationsstrategie entwickelt, die erfolgreich Breitbandlücke Perovskit-Solarzellen löst(WBG PSCs)Mittel- und Langfristige Herausforderungen – MischungSAMsDie Konkurrenzadsorption zwischen den Schnittstellen verursacht Probleme mit Mängeln. Die Forscher untersuchten systematisch drei verschiedene Co-Adsorptiva(PA)undCAundSA)mit häufig verwendetenSAMMaterialDie Me-4PACzWechselwirkungsmechanismus und Wirksamkeit.

Die Forschungsergebnisse umfassen:

•Theoretische Berechnung enthülltSASchlüsselrolle:Molekulardynamik (MDAnalog- und Dichtefunktionstheorie (DFTDie Berechnung zeigt eindeutig,Co-AdsorbentenSANeigt zu füllenNiOxundITOUnbedeckte Stellen der Oberflächeund mitDie Me-4PACzErzeugen von günstigen Wechselwirkungen, fördern ihre Dispersion und so die BildungDichtere Elektrolochschicht.SA-MeBindungsfähigkeit sogar höher alsIch-IchBindungskraft, hilft zu brechenDie Me-4PACzDie Wiedervereinigung.

•Experimentelle VerifizierungSAOptimierung der Schnittstelle und Perovskit-Qualität:Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die VerwendungIn / mir- 4 PaczMischenSAMsSignifikant reduzierte Schnittstellenverluste von nicht-strahlenden Komponenten und optimierte Energieniveau-Anordnung der begraben Schnittstelleund effektiv reguliert.WBGKristallqualität von Perovskit.XPSDie Analyse bestätigt es weiter.SAIn der Lage zu verbessernDie Me-4PACzinNiOxAbsorption auf.SEMundXRDAuch die Technik zeigt,SADie Einführung verbessert die PerovskitfilmMorphologieund Kristallität.

•WBG PSCsWirksamkeit deutlich verbessert:basierendSASchnittstellenoptimierungsstrategie,1,77 eVBreitbandlücke Perovskit SolarzellenEs ist erreicht.20.67%Leistungsumwandlungseffizienz (PCE）und durchZertifizierung erreicht20.21%. Seine Höhe1,332 VSpannung (VOC），Der Authentifizierungswert ist1,313 Vin ähnlichen Geräten hervorragend. Im Vergleich zur Kontrollgruppe sind dieSAPerovskitfilm auf verbessertem Substrat zeigtHöher.PLQYWerteund entspricht dem höherenQFLSWerte.

•Voll Perovskit Stacking Gerät nahe29%Zertifizierung Effizienz:Das effizient machenWBG PSCsund1,26 eVEnge Energielücke (NBG）PSCsKombiniert, erfolgreich vorbereitet.Doppelte Vollperovskit-Solarzellen (TSCs）SeinPCEErreichen Sie erstaunlich28.94%(Zertifizierungswert)28.78%Kleine Fläche0,087 cm2）AußerdemKleine Module (Durchmesserfläche)11,3 cm2) auch erreicht.23.92%derPCE.

•Überlagerungen zeigen eine hervorragende langfristige Stabilität:verwendenSAVerbesserte Schnittstellen für die gesamte Perovskit-Überlagerung unter harten Bedingungen (85 ℃，N2oder 85 ℃/85%Relative Luftfeuchtigkeit) zeigt eine hervorragende langfristige Betriebsstabilität.

Abbildung 1i：SABreitbandsystem Perovskit-Solarzellen auf der Grundlage(WBG PSCs)Das BesteJ-VKurven

Forschungsteam

Diese bahnbrechende Studie wurde gemeinsam von einem interdisziplinären Team durchgeführt.Professor Chen Wei, Universität für Wissenschaft und Technologie (Wei Chen(und Liu Zhonghao)von Zonghao LiuProfessor und Berufstechnische Universität Shenzhenvon Jingbai Li教授。

Diese wichtige Forschungsarbeit besteht hauptsächlich aus den folgendenEinheitDurchgeführt:

1. Universität für Wissenschaft und Technologie(Huazhong Universität für Wissenschaft und Technologie, HUST)

2. Shenzhen Berufstechnische Hochschule(Polytechnische Universität Shenzhen)

3. Lichttal Labor(Optics Valley Labor)

Forschungshintergrund

•Komplexität des Schnittstellenprojekts:Obwohl Selbst-Montage monomolekulare Schichten(SAM)Wird weit verbreitet, um die Schnittstelle von Perovskit-Solarzellen zu verbessern, aberMischenSAMsWechselwirkungen und Wettbewerbsadsorptionsverhalten während der AblagerungEs ist noch nicht ausreichend untersucht worden. Verstehen, wie Co-Adsorbenten Einfluss auf die üblichenSAMMaterial(wieMe-4PACz )Der Filmprozess ist eine Herausforderung.

•Nicht-Strahlungsverluste:WBG PSCsDie Effizienz ist begrenzt durchNicht-strahlende Verbundverluste an der Schnittstelle. Wie effektiv Schnittstellenfehler passivieren, die Ladungszusammensetzung reduzieren und die offene Schaltungsspannung erhöhen(VOC)Es ist ein kritisches Problem.

•Realisieren Sie eine hohe offene Spannung(VOC)：obwohlWBGMaterial mit hohem PotenzialVOCAber die tatsächlichen GeräteVOCOft unter den theoretischen Grenzen.reduzierenVOCVerlustInsbesondere Verluste im Zusammenhang mit nicht-strahlenden Schnittstellen sind der Schlüssel zur Effizienzsteigerung.

•Energieausrichtung:In der Elektroloch Auswahl Schicht(HTL)Zwischen dem PerovskitEnergie schlecht ausgerichtetDas behindert die Ladungsübertragung und verringert die Leistung des Geräts.

•Kristallqualität der Perovskitfilm:ErhaltenHochwertige, homogene und fehlerfreie Breitbandspaltfilme aus PerovskitEs bleibt eine Herausforderung. Schnittstellenmodifikatoren müssen in der Lage sein, den Nukleation- und Wachstumsprozess von Perovskit effektiv zu regulieren.

•Entwicklung der gesamten Perovskitbatterie:wird effizientWBG PSCsMit enger Energielücke(NBG) PSCsIntegriert, um eine leistungsstarke, vollständig perovskitische Batterie zu bauen, die inPräzise Steuerung der Schnittstelle zwischen den UnterbatterienDamit die Ladung effektiv zusammengesetzt wird.

Abbildung 3b

Lösungen

Aufgrund der oben genannten Probleme und HerausforderungenRegulierte Mischung Selbstmontage Einzelmolekularschicht(SAM)WettbewerbsverhaltenKernlösungen und Methoden:

•Präzise Regulierung Schnittstelle Bildung:Forschungsteam intensiv untersuchtCo-Adsorbenten (PA, CA, SA)mit häufig verwendetenSAMMaterial(Me-4PACz)die Interaktion zwischen. Durch molekulare Dynamik(MD)Analog- und Dichtefunktionstheorie(DFT)Berechnen, zeigen die UnterschiedeCo-AdsorbentenundDie Me-4PACzinNiOxundITOAbsorptionsverhalten und Energie der Oberfläche.

•Optimierung der Lochschicht:Forschung fandSAalsCo-AdsorbentSie können nicht bedeckte Stellen effektiv füllen, ohne zu störenDie Me-4PACzDie Adsorption sorgt für die Bildung dichter Elektrolochschichten.

•Unterdrückung von Nicht-Strahlungsverbindungen:In / mir- 4 PaczMischenSAMsEffektive Verringerung der Schnittstellenverluste der nicht-strahlenden KompositeDies durch eine höhere Quantenproduktivität(PLQY)Spaltung mit quasi-Fermi-Energie(QFLS)Es lohnt sich zu verifizieren.

•Verbesserte Energieausrichtung:Berechnungen und Experimente zeigen,SA-MeDiomere ermöglichen eine bessere Energie-Level-AnordnungEs hilft bei der Extraktion und Übertragung von Elektrolochen aus der Perovskitschicht in die Elektrolochtransportschicht.

•Regulierung des Perovskit-Kristalls:Licht vor Ort(PL)Spektrum,XStrahlendiffraktion(XRD)und BreitwinkelXStrahlenverstreuung(GIWAXS)Zeichen zeigen,SAModifizierte Schnittstellen ermöglichen eine höhere Qualität, bessere Kristallität und weniger fehlerhafte Breitbandspaltfilme.

•Steigerung der offenen Spannung(VOC)：Durch die oben genannte Strategie ist eine erhebliche VerbesserungWBG PSCsderVOCbestätigt durch Analyse des Energieverlusts.Die Verringerung der nicht-strahlenden Verbundverluste istVOCHauptgründe für die Erhöhung.

•Erstellen Sie effiziente Batterien:wird effizient sein.SAÄnderungWBG PSCsMit enger Energielücke(NBG)PSCsKombiniert erfolgreich vorbereitetHohe Effizienz(28.94%Authentifizierungswert28.78%)Vollständige Perovskit-SolarzellenUnd zeigt eine gute Stabilität.

Durch die Auswahl der geeignetenCo-Adsorbent (SA)undDie Me-4PACz形成混合SAMsFeinregelung der Schnittstelleneigenschaften, um die Breitbandspalt-Perovskit-Solarzellen und ihre Leistung in der gesamten Perovskit-Stapelzelle umfassend zu verbessern.

Abbildung S10

Experimentelle Schritte und Prozesse

Materialvorbereitung

•Forschung hauptsächlich verwendet[4-(3,6-Dimethyl-9H-carbazol-9-yl)butyl]phosphonsäure(Me-4PACz)Als selbstmontierte Einzelmolekularschicht(SAM)Material.

•Gleichzeitig werden drei verschiedene bifunktionelle Alkylamine als Co-Adsorptiva verwendet:(6-Aminohexyl)-Phosphonsäure (PA)und7-Aminoheptansäure (CA)und6-Aminohexan-1-sulfonsäure (SA).

•Diese Materialien lösen sich in bestimmten Verhältnissen in Ethanol und bilden eine Mischung.SAMsLösung.

•Breitbandlücke(WBG)Vorläuferlösungen für Perovskit-Solarzellen basieren aufFA0.8Cs0.2Pb (I0.6Br0.4) 3Zusammensetzung.

•Enge Energielücke(NBG)Vorläuferlösungen für Perovskit-Solarzellen basieren aufFA0.6MA0.3Cs0.1Pb0.5Sn0.5I3 Zusammensetzung.

Forschungsprozesse und wichtige Erkenntnisse

•RechnerforschungDFTBerechnung undMDSimulation)：

○DFTBerechnen:ErkundenPAundCAundSAinNiOxundITOOberflächeKombinationsmuster und Adsorptionskraft. Die Ergebnisse zeigen,SAinITODie Adsorption ist stärker alsDie Me-4PACz.

○MDSimulation:Forschung von Co-Adsorbenten undDie Me-4PACzWettbewerbsabsorptionsverhalten.SAZuerst absorbiert werdenNiOxOberfläche und dann durchSA-MeDimerverstärkungDie Me-4PACzDie Adsorption hilft, eine gleichmäßigere Adsorptionsschicht zu bilden und fülltNiOxinITOUnbedeckte Flächen.SA-MeDie Bindung von Dimeren ist größer alsIch-IchDiomer.

○Berechnungen zeigen,SA-MeDiomere ermöglichen eine bessere Energie-Level-Anordnung.

Abbildung S4a & Abbildung 1a-d

•Vorbereitung und Prüfung von Solarzellen:

○basierend auf unterschiedlichenSAMsmodifiziertDiese / NiOxDer Untergrund ist komplett vorbereitet.WBG PSCsGeräte.SABasisgeräte erreichen die höchstePCE 20,67 %(Authentifizierungswert20.21%)undVoc 1,332 V(Authentifizierungswert1,313 V).

○Optimiert durch IntegrationWBGundNBGBatterie, bereit.2-Vollständige Perovskit-Solarzellen(TSCs)，basierendSADie Batterie erreicht den höchstenPCE 28,94 %(Authentifizierungswert28.78%).

○Auch gebaut aufSAüberlagerte Mikrokomponenten,DurchschnittlichPCEfür21.82±1.28%(Durchmesserfläche11,3 cm2).

Abbildung 4c

•Stabilität der Batterie:

○basierendSADie überlagerte Batterie ist in85℃Stickstoffneutral85℃/85%Die relative Luftfeuchtigkeit zeigt sich in der UmgebungVerbesserte Lagerstabilität. FortgesetztAM 1,5 GUnter Licht.MPPTAusführen500Stunden später,Aufrechterhalten der ursprünglichenPCEder85%.

Abbildung 4f

Charakterisierung der Forschungsergebnisse

Quantenproduktivität(PLQY)Spaltung mit quasi-Fermi-Energie(QFLS)

Messung der Ablagerung von Perovskit auf verschiedenen SubstratenPLQYund berechnet die entsprechendenQFLSQuantifizierung.SAM/Nicht-strahlender Verbundverlust der Perovskit-Schnittstelle.

Bild3D und E: Anzeige von Perovskitfilmen, die sich auf dem Glasboden absetzenPLQYWert für4.231%entsprechend.QFLSWert für1,388 eV. Für die Ablagerung in der MischungSAMsauf Perovskitfilm,SADie Probe erhielt die höchstePLQYWerte3.005%entsprechend.QFLSWert für1,379 eV.SACo-Adsorption Strategien können reduziert werdenSAM/Nicht-strahlender Verbundverlust der Perovskit-Schnittstelle.

EnlitechNeue GenerationQFLS KarteKraftige Messgeräte erscheinen! Schnelle Bewältigung des Materialzustands!

Enlitech QFLS-Karter，1/5Ausrüstungspreis verfügbarKartenFunktionale AusgabeQFLS-BildVisualisieren Sie die Gesamtverteilung der quasi-Fermi-Energie, das Material ist gut und schlecht!

Folgen Sie uns und erhalten Sie die neuesten Nachrichten!

Strom-Spannung(J-V)Kurven

Die Messung basiert auf unterschiedlichenSAMsmodifiziertDiese / NiOxBreitbandlücke für Unterlagen(WBG)Perovskit Solarzellen(PSCs)und Vollperovskit-Solarzellen(TSCs)derJ-VKurven, einschließlich Vorwärts- und Rückwärts-Scans.

l Breitbandlücke Perovskit Solarzellen(WBG PSCs)：verwendenSACo-adsorbente Geräte zeigen eine erhebliche Leistungssteigerung und erreichen die höchstePCE 20,67%(Umkehrscannen) und1,332 VOffene Spannung(Voc)Dieses Ergebnis wurde zertifiziert,PCEfür20.21%，Vocfür1,313 V(BildS23)Diese Zahlen wurden damals berichtet.(1,77 eV)WBG PSCsauf dem höchsten Niveau.

l Vollständige Perovskit-Solarzellen(Alle PerowskitTSCs)：SACo-Adsorbenten verbessern ebenfalls deutlich die Leistung der überlagerten Batterien und erreichen die höchstePCE 28,94%(Umkehrscannen) und2,146 VderVocStabile LeistungsausgabePCEfür28.72%(BildS37). Die überlagerte BatteriePCEZertifiziert als28.78%，Vocfür2,145 V(BildS38).

l basierendSAÜberlagerte Mikrokomponenten:Basis mit fünf SubbatterienSAÜberlagerte Mikrokomponenten zeigen eine gute Gleichmäßigkeit, durchschnittlichPCEErreichen21.82 ±1.28%(Durchmesserfläche11,3 cm2)Die besten MikrokomponentenPCEfür23.92%，Vocfür10,10 V(Bild4e).

Externe Quanteneffizienz(EQE)

Forschungsteam verwendetEnlitech QE-RQuanteneffizienzmesssystemeDie Messung basiert auf unterschiedlichenSAMsEinzelknotenWBG PSCsundNBG PSCsUnd überlagerte Solarzellen.EQESpektrum.

BildS20Kontrollgruppe,PAGruppe,CAGruppe undSAGruppenWBGGeräteEQEPunkteJSCjeweils für 17.42、17.60、17.64und18,06 mA cm?2undJ-VScannen extrahiertJSCÜbereinstimmend. Bild4dund DiagrammeS36bZeigt.SAKiTSCderWBGundNBGUnterbatterien.EQESpektrum,EQEPunkteWBGundNBGUnterbatterien.JSCDer Wert ist jeweils 15.94und15,71 mA cm?2.

Licht vor Ort(PL)Spektrum

Überwachung von Perovskit in der Vorläufer-Rotation- und Hitzphase in der Kontrollgruppe undSAKristallisierungsverhalten auf dem Substrat der Gruppe. （BildS24）

XStrahlenfotoelektronenspektrum(XPS)

verwendenXPSDie Messung basiert aufDie Me-4PACzIndividuell (Kontrollgruppe) und mitPAundCAoderSAGemischtSAMsmodifiziertDiese / NiOxOberflächenchemie und Elementpreis des Substrats. Überprüfen Sie das Vorhandensein von Co-Adsorbenten und untersuchen Sie ihreDie Me-4PACzinNiOxAuswirkungen von Oberflächenabsorption und Leitfähigkeit.XPSDie Ergebnisse bestätigen direkt, dass das Co-Adsorbent in der MischungSAMsexistieren und offenbaren.SADie Einführung ist nicht nur effektiv undDie Me-4PACzAbsorbiert, verstärktDie Me-4PACzundNiOxKombinieren und verbessernNiOxElektrische Leitfähigkeit.（BildS9undS10undS11undS12）

Dynamische Lichtstreuung(DLS)

verwendenDLSDie Partikelgrößenverteilung von Mikrogranulen in verschiedenen gemischten adsorbierten molekularen Lösungen wurde gemessen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Einführung von Co-Adsorbenten verringert wurdeDie Me-4PACzDie durchschnittliche Größe der in der Lösung gebildeten Mikrogranulate zeigt, dass das Co-AdsorbentDie Me-4PACzBildung von Mikropartikeln (BildS13）

UV-Sichtbares Licht(UV-Vis)Spektrum

ÜberwachungDie Me-4PACzinDiese / NiOxAdsorptionsdynamik auf dem Substrat, gezielt auf die einzelnenDie Me-4PACzLösungen undDie Me-4PACzundPAundCAoderSAMischte Lösungen.In / mir- 4 PaczDie Absorptionsrate ist schneller und die Last höher.（BildS14）

Kontaktwinkelmessung

Messung von Wassertropfen in der Kontrollgruppe sowiePAundCAundSABearbeitet.Diese / NiOxKontaktwinkel auf dem Untergrund.Die Erhöhung des Kontaktwinkels deutet darauf hin, dass die Einführung von Co-Adsorbenten die Hydrophobie der Oberfläche erhöht, was hauptsächlich auf die Mischung zurückzuführen ist.SAMsBesser abgedeckt.Diese / NiOxDie Oberfläche reduziert die Exposition von hochhydrophilen Gruppen.（BildS15）

XStrahlendiffraktion(XRD)und EinbruchXStrahlendiffraktion(GIXRD)

verwendenXRDAblagerungen in verschiedenen MessungenSAMsDie Kristallstruktur der Perovskitfilm auf dem Substrat modifiziert. verwendenGIXRDDie Restspannung der Folie wurde untersucht. （BildS26、BildS27）

BreitwinkelXStrahlenverstreuung(GIWAXS)undPLKarte

Die Entfernungstechnik verwendet, um die untere Oberfläche des Perovskits zu exponieren und durchzuführenGIWAXSundPLKarte Charakterisierung. ForschungsmischungSAMsAuswirkungen auf die Perovskitmasse der unteren Grenzfläche und die nicht-strahlenden Komponenten. Im Vergleich zur KontrollgruppeSAPerovskit-basierte Filme zeigen eine höherePLStärke und mehr Gleichmäßigkeit zeigen, dass die nicht-strahlende Komposition der unteren Schnittstelle unterdrückt wird. （BildS28Bild2i-l）

UV-Elektronenspektrum(UPS)

Messvorbereitete Lochtransportschicht(HTL)Energieniveauordnung. BewertungSAMsModifizierenDiese / NiOxFunktion und Preisband Maximum(VBM)Auswirkungen. （Bild3aund DiagrammeS29）

Zeitliche Unterscheidung von Licht(TRPL)

Messung der Ablagerung in verschiedenenSAMsModifizierung der Träger-Dynamik der Perovskitfilm auf dem Substrat. （Bild3b und c）

Schlussfolgerungen

Forscherteam untersucht gemischte selbstmontierte Einzelmolekularschichten(SAM)chinesische Adsorptive und[4-(3,6-Dimethyl- 9H-Carbazol-9-Ki)Dingi]Phosphatsäure(Me-4PACz)Wechselwirkungen und ihre in einer effizienten Breitbandspalte Perovskit-Solarzellen(WBG PSCs)und Anwendungen in überlagerten Solarzellen. Die Studie ergab,6-Aminohexane-1-Sulfonsäure(SA)Als Co-Adsorbent kann nicht bedeckte Stellen effektiv ohne Störungen gefüllt werdenDie Me-4PACzAdsorption, wodurch eine dichte elektrische Lochscheide gebildet wird.

Durch molekulare Dynamik(MD)Analog- und Dichtefunktionstheorie(DFT)Berechnung, zeigt die Studie.SAundDie Me-4PACzGleichgewicht zwischen Oberflächen und molekularen Wechselwirkungen, die helfenDie Me-4PACzinNiOxundITODie Oberfläche wird gleichmäßiger absorbiert.XPSCharakterisierungsergebnisse bestätigtSAIn der MischungSAMsAnwesenheit und zeigenSAin der LageVerbesserungDie Me-4PACzundNiOxFähigkeit zu kombinieren und zu verbessernNiOxElektrische Leitfähigkeit.

Zu den wichtigsten Ergebnissen dieser Studie gehören:

• basierend aufIn / mir- 4 PaczMischenSAMsder1,77 eV WBG PSCserreicht bis zu20.67%Leistungsumwandlungseffizienz(Zertifiziert als20.21%)und1,332 VOffene Spannung(Zertifiziert als1,313 V).

•In / mir- 4 PaczMischenSAMsEffektiv reduziert die Schnittstelle nicht-strahlende Verbundverluste, optimiert die Energie-Niveau-Anordnung und reguliertWBGKristallisierung von Perovskit.XRDundSEMDie Ergebnisse zeigen, dass die VerwendungSADie Perovskitfilm, die auf dem Grund abgelegt wird, hatHöhere Kristallität, weniger Mängel und flachere Oberflächen.

• Optimiert werdenWBGDie Batterie und1,26 eVEnge Energielücke(NBG) PSCKombiniert, bereit.Vollständige Perovskit-Solarzellen(TSCs)SeinPCEEs ist erreicht.28.94% (Zertifiziert als28.78%)，Vocfür2,146 V.

• basierend aufSAÜberlagerte Mikrokomponenten (Öffnungsbereich)11,3 cm2）zeigt durchschnittlich21.82%derPCEDie besten GerätePCEErreichen23.92%，Vocfür10,10 V.

• Stabilitätstests zeigen, dassSAÜberlagerungseinrichtung unter kontinuierlicher Beleuchtung500Nach einer Stunde bleibt der AnfangPCEder85%Gleichzeitig zeigen sich verbesserte Leistungen in Bezug auf die Wärmestabilität und die feuchte Wärmestabilität.

Referenz von nature communications_DOI: 10.1038/s41467-025-58111-y

Dieser Artikel wurde für Enlitech Optical Technologie überschrieben, um wissenschaftliche Forschung und akademischen Austausch zu ermöglichen. Bitte informieren Sie uns über Verletzungen.