Forschungshintergrund und Herausforderungen

Perovskit-organische Solarzellen (POTSCsMit seinen verstellbaren Vorteilen, theoretisch mit einer durchbruchsvollen Single-Interface-Batterievon Shockley-QueisserGrenzen des Potenzials. Im Vergleich zu anderen Technologien,POTSCsVorteile: Die UV-Filtereigenschaften der Perovskit-Schicht verbessern die Betriebsstabilität, die Vollfilmstruktur unterstützt den hohen Volumen-zu-Volumen-Prozess und kann in herkömmlichen Umgebungen auf flexiblen Substraten verarbeitet werden, insbesondere für Anwendungen wie Gebäudeintegration, Fahrzeugintegration und tragbare Elektronik.

DochPOTSCsDie Entwicklung steht vor wichtigen technologischen Engpässen:Zertifizierte Effizienz (24.7%(noch unterhalb der gesamten Perovskit-Serienbatterie)28.2%(und Perovskit)- CIGSBatterien (24.2%）Das zentrale Problem, das zu diesem Effizienzrückgang führt, istNicht ausreichender Nah-Infrarot-Strom der schmalen EnergiespaltbatterieZu den Hauptgründen gehören:

1. Mangel an anwendbaren MaterialienDerzeit fehlt es an hocheffizienten schmalen Energiespalten-Nicht-Fulerenrezeptoren (NFAs). vorhandenY6Der optische Empfänger (~ 1,33 eV(Ideale Energielücke für die Kettenform)~1,00 eV(Noch immer eine Suboptimalisierung.

2. Schwierigkeiten bei der EnergieübereinstimmungTraditionell reduziertNFAStrategien der Energielücke (z. B. Verlängerung der Konjugationslänge, Verstärkung der intramolekularen Ladungsübertragung) führen häufig zuHOMOEine übermäßige Erhöhung der Energiestufe verursacht eine Energiestufenmiss配置 mit dem Polymerkörper, was die Effizienz der Auflösung des Reizens beeinflusst und die Leistung der offenen Schaltungsspannung und des Füllfaktors einschränkt.

Forschungsteam und Kernergebnisse

Forschung durchHo Yi, Abteilung für Chemie- und Biomolekulartechnik der National University of Singapore und Institut für Solarenergie von Singapur(Yi Hou)教授Führung, Forschungsergebnisse in führenden Zeitschriften veröffentlichtNatur»

Das Forschungsteam richtet sichPOTSCsDie Kern-Effizienz-Engpässe, die zwei Schlüsselinnovationsstrategien vorschlagen:

Strategie 1: Verbesserung der Leistung der schmalen Energiespalt-organischen Batterie Team entwickelt neue asymmetrische nicht-FulerenrezeptorenP2EH-1VEinseitige KonjugationπBrückenstrategie reduziert optische Energielücke auf1,27 eVBeibehalten Sie gleichzeitig die ideale Stimulatorlösung und Nanoform. Bestätigung durch Fiftsecond Transient Absorption SpectrumPM6zuP2EH-1VEffiziente Lohlübertragung und Messung der elektroluminescenten Quanteneffizienz zeigen nicht-strahlenden Spannungsverlust von0,26 eVdeutlich reduziert auf0,20 eV.

Strategie 2: Optimierung der Batterieschnittstelle auf Perovskit Entwicklung einer neuen SelbstmontageschichtBr-Ph-4PACzeffektive Regulierung der Funktion durch Bromphenyl-Ersatz undHOMOEnergiestufe, verbessert die Ausrichtung des Energiebandes mit Perovskit und reduziert die Schnittstellenkompositverluste. Die Ausrichtung der Energiestufen wurde mit dem UV-Fotoelektronenspektrum und dem Kelvin-Sondenkraftmikroskop bewertet und durch die Messung der photogenischen Stabilität und der Quasi-Fermeter-Energiestufenspaltung eine Verringerung der nicht-strahlenden Zusammensetzung und eine Steigerung der inneren Spannung bestätigt.

DurchbruchsergebnisseIn Verbindung mit den oben genannten Innovationsstrategien,POTSCsEffizienz erreicht26.7%Von dem Shanghai Institute for Microsystems and Information Technology unabhängig zertifiziert26.4%geschlagen über1 cm²Fläche der GeräteWeltrekord.

Abbildung 4g

Experimentelle Schritte und Vorbereitung der Geräte

Abbildung 4a

Diese Studie basiert auf zwei Hauptstrategien:Entwurf und HerstellungSchlüsselkomponenten von leistungsstarken Solarzellen, die letztlichIntegrationRekordwertiges Perovskit-organische Solarzellen. Hier sind die wichtigsten experimentellen Schritte und Prozesse:

ForschungsstrategieDie Studie konzentriert sich hauptsächlich auf zwei zentrale Engpässe:Organische Bodenbatterie mit engem SpaltDer optische Strom, 2 ist gelöstBreite Energiespaltbatterie auf PerovskitProbleme mit Spannungs- und Füllfaktorverlusten.

Innovative Materialien und Zubereitungen für organische Unterbatterien mit engem Spalt

• Neuer asymmetrischer Nicht-Fulerenrezeptor(NFA) P2EH-1VErfolgreiche Synthese

• ForschungsteamEntwurf und erfolgreiche SyntheseEine neue Art.Asymmetrische Nicht-FulerenrezeptorenP2EH-1V.

• Dieses Material wird durchEinseitige KonjugationπBrückenstrategieVerringerung der optischen Energielücke auf1,27 eV.

• Effiziente Montage von organischen Batterieeinheiten

• Einfache organische SolarzellenITO / MoOx / PM6: NFA / PDINN / AgStrukturen vorbereitet werden.

• Unter ihnen,PM6Als GestaltungundP2EH-1VAls RezeptorBeides mit 1:1.2Verhältnismäßige MischungIn der Chloroformlösung beträgt die Gesamtkonzentration16 mg/ml.

• Die Mischlösung wird aufMoOxAuf der Schicht, anschließend durch Wärmerüstung und AbscheidungPDINNundAgDie Elektrode ist fertig.

Schnittstellenoptimierung und Vorbereitung von Batterien auf Perovskit

• Neue selbstmontierte Einzelmolekularschicht(SAM) Br-Ph-4PACzEntwicklung

• ForschungsteamEntwicklung und SyntheseEine neue Art.Selbstmontierende EinzelmolekularschichtBr-Ph-4PACz.

• Durch die Einführung dieses MaterialsBromphenyl-Ersatzzur effektiven Regelung der Funktion undHOMOEnergiestufe zur Verbesserung der Ausrichtung mit Perovskit.

• Herstellung von Hochleistungs-Perovskit-Batterieeinheiten

• Single-Knot-Breitgap-Perovskit-SolarzellenITO/SAM/Perovskit/ C60 / BCP / AgStrukturen vorbereitet werden.

• Zunächst wird SAM (Br-Ph-4PACz)LösungenRotierte Lackierung im MusterITOGlas auf dem Untergrund und erhitzt.

• Dann wirdPerovskit-Vorläuferlösungen mit spezifischer Zusammensetzung(Cs0.25FA0.75 Pb (Br0.4I0.6) 3) Drehen inSAMAuf der Schicht und durchgeführt, um eine Perovskitfilm zu bilden.

• Schließlich in der Reihenfolge abgelegtEDAI2Lösung,C60undBCPundAgElektroden zur Fertigstellung des Geräts.

Hochleistungsstarkes Perovskit-Integration von organischen seriellen Solarzellen

• Optimierung der Struktur und Interconnect Layer

• Das endgültige Perovskit-Organische Solarzellen werden eingesetztGlasITO/SAM/Perovskit/ C 60 / SnOx / ITO / MoOx /organisch/ PDINN / AgVollständige Geräte-Architektur.

• Wichtige VerbindungsschichtenZwischen der Perovskit-Batterie und der organischen Unterbatterie,C60Ablagerung der Atomschicht(ALD)derSnOxgespritzt.ITOUnd die Wärme verdampft.MoOx Zusammengesetzt, um eine effiziente Ladungsübertragung zu gewährleisten.

• Plötzlich die Batterie.AbsorptionsschichtdickePräzise optimiert (Perovskit ca.290 nmauf organischer Ebene110 nmUm das Gleichgewicht der Stromdichte zwischen den beiden Batterien zu erreichen.

Charakterisierungsmethoden und Ergebnisse

Quasi-Fermi-Spaltung(Quasi-Fermi-Niveausplutzung, QFLS)

BewertungSAMSpannungsverlust mit Perovskit-Schnittstelle und nicht-Strahlungskomposit-Unterdrückung,QFLSErhöhung der DirektreflektierungVOCVerbesserung des Potenzials.

Durch die intensitätsabhängige SpannungsmessungQFLSDie Analyse zeigt,Br-Ph-4PACzDie behandelten Perovskitfilme zeigen eine bemerkenswerte Schnittstellenoptimierung.Br-Ph-4PACz/Offene Schaltungsspannung für Perovskitstapel(iVoc)Erreichen1,38 Vdeutlich höher alsDie Me-4PACzPerovskit Stapel1,34 VVerbesserung des Umfangs40 mVDas Ergebnis bestätigtBr-Ph-4PACzFunktionsregulation durch Bromphenyl-Ersatz, effektiv reduziertSAMEnergiephase-Mismatch mit Perovskit-Schnittstelle, um Schnittstelle-Composite-Verluste zu reduzieren, für GeräteVOCSteigerung der direkten Antriebskraft.

Bild3DAnzeige der Single-Knot-Breitgap-Perovskit-Solarzellen in zwei ArtenSAMUnter BehandlungVOCVerlustanalyse im Vergleich.Br-Ph-4PACzProbe zeigt höherQFLSWerte und niedrigere Schnittstellenspannungsverluste, intuitive Darstellung der BromphenylfunktionalisierungSAMBedeutende Vorteile bei der Optimierung der Schnittstellentechnik.

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Strom-Spannung(J-V)Kurvenmessung

Die Beurteilung der optischen Umwandlungsleistungen von einzelnen und seriellen Geräten spiegelt die kombinierte Wirkung von Materialinnovationen und Geräteoptimierungen direkt wider.

Simulation in Stickstofffüllhandschuhkosten1sun AM 1.5GLicht(100 mW cm)^-2)Messgeräte mit verschiedenen Flächen(0,050 cm)²und1.019 cm²)Leistung.

l PM6: P2EH-1VOrganische Solarzellenrealisieren17,9 % PCEDurchbruch, Demonstration0,82 Voffene Spannung,28,60 mA cm^-2Hohe Kurzschlussstromdichte und76.5%Füllfaktor.

l Br-Ph-4PACzPerovskit SolarzellenErreicht20,4 % PCE, vorhanden1,37 VHochspannung und85.5%Ausgezeichneter Füllfaktor.

l Perovskit-Organische SeriensolabellenRekord erreicht26,7% PCE(VOC: 2,14 V, JSC: 15,15 mA cm^-2FF: 82,4%)Großflächige Geräte(1.019 cm)²)gleiche Aufrechterhaltung26,7 % PCE.

Unabhängige Zertifizierung des Shanghai Institute for Microsystems and Information Technology26,4 % PCEPositiv-Gegen-Scan konsistent und ohne offensichtliche Verzögerung, zertifiziert cm-Grad Single Binding Perovskit, Perovskit- CIGSund Perovskit-organische BatterienPCEAufzeichnung.

Bild4bEinbindende organische Batterien, Perovskitbatterien und SerienbatterienJ-VDie Kurvenkombination, die die optischen Parameter der drei Geräte eindeutig vergleicht, zeigt intuitiv die bemerkenswerten Vorteile der Serienarchitektur bei der Optimierung der Spannungsaufnahme und der Stromabstimmung.

Bild4eZeigen SieSIMITZertifiziert1 cm²SerienbatterieJ-VKurve, positiv und umgekehrt scannenPCEAlle für26.4%die Leistung und Stabilität der Geräte in praktischen Anwendungen zu bestätigen.

Externe Quanteneffizienz(Externe Quanteneffizienz, EQE)Messungen

Beurteilen Sie die spektrale Reaktion und die Übereinstimmung der einzelnen Subbatterien mit dem Strom und überprüfen Sie die Synergien und das Stromgleichgewicht der oberen Subbatterien in der seriellen Batterie.

PM6: P2EH-1VOrganische BatterienweilP2EH-1VRotverschiebungsabsorptionseigenschaften des Materials,EQEIntegrale Stromdichte erreicht27,86 mA cm^-2undJ-VTestergebnisse sehr übereinstimmend(Fehler<3%).Perovskit-Organische SerienbatterieMittel, Perovskit-Batterien und organische UnterbatterienEQEPunkteJSCjeweils für15,20 mA cm^-2und15,14 mA cm^-2Die gute Übereinstimmung der Stromdichte zwischen den beiden Subbatterien ist der Schlüssel zur Erreichung einer effizienten Serienbatterie.

Bild4dPerovskit-Perovskit und organische Subbatterien in organischen SerienbatterienEQEKurven und IntegraleJSCZeigt zwei Subbatterien in der Serienbatterie an.EQEKurven, die ihren Beitrag zur Absorption verschiedener Wellenlängen des Lichts und zum Ausgleich der Stromdichte nach dem Integral deutlich zeigen

Elektroluminescente Quanteneffizienz(Elektrolumineszenz Quanteneffizienz, EQEEL)Messungen

Bewertung der nicht-strahlenden Energieverluste von organischen Solarzellen und der Mechanismen der ZusammensetzungEnlitech ELCT-3010(REPS)SystemExterne Spannung auf das Gerät aufbringen/Stromquelle zur Messung.

P2EH-1VInnovative Rezeptormaterialien zeigen eine nicht-strahlende Komplex-Unterdrückung undP2EHim Vergleich zu den Benchmarkgeräten,P2EH-1VReduzierung der Gesamtenergieverluste des Geräts0,05 eVHauptsächlich durch eine signifikante Verringerung der nicht-strahlenden Energieverluste,0,26 eVerheblich verbessert zu0,20 eVDas Ergebnis bestätigtP2EH-1VDurch ein optimiertes molekulares Strukturdesign reduzieren Sie effektiv die Fehlerzustandsdichte und die nicht-strahlenden Kompositionswege.

Bild2fzeigenPM6: P2EHundPM6: P2EH-1VundPM6: P2EH-2VZusammenfassung der Analyse des Energieverlusts von organischen Solarzellen, die den nicht-strahlenden Energieverlust von verschiedenen Rezeptormaterialien deutlich vergleicht(ΔEnon-rad)Verteilung, intuitive DarstellungP2EH-1VBemerkenswerte Vorteile bei der Unterdrückung der nicht-strahlenden Zusammensetzung.

EmpfindlichEQE/Fourier-Transformationsstromspektrometer(Empfindliche EQE/FTPS)

Bewertung detaillierter Energieverlustmechanismen organischer Solarzellen mitEnlitech PECT-600 (FTPS)SystemAufzeichnung empfindlichEQEin Kombination mit elektrischem Licht(DE)Kurve durchgeführtGaussianischengeeignete Analyse.

FTPS-EQEundELPräzisionsanpassung der Kurve erneut bestätigtP2EH-1VLeistung des Geräts bei der Unterdrückung von nicht-strahlenden Energieverlusten. Die Ausrichtung der Kurve spiegelt das Gleichgewicht der Strahlung und der nicht-strahlenden Kompositprozesse des Geräts direkt wider,P2EH-1VDurch die optimierte Konstruktion der Elektronik erzielt das Material den doppelten Effekt der Verbundverstärkung von Strahlung und der Verringerung von Nichtstrahlungsverlusten.

Bild2 StundenzeigenPM6: P2EH-1VMischungsgeräteFTPS-EQEMit elektrischen LeuchtkurvenGaussianischenPassende Kontraste, hohe Konsistenz beider Kurven und präzise Ausrichtung intuitiv bestätigtP2EH-1VWirksamkeit bei der Verringerung von nicht-strahlenden Energieverlusten.

Andere Merkmale

UV-Sichtbares Spektrum(UV-Vis)Charakterisieren Sie die Lichtabsorptionseigenschaften des Materials und bewerten Sie die Wirkung der Energiespaltenregulierung.P2EH-1VAbsorbiert offensichtliche Rotverschiebung80 nmDie optische Energie verringert sich1,27 eVErweiterung des nahen Infrarotlichtabsorptionsbereichs.(Bild1b)

BreitwinkelXStrahlenverstreuung(GIWAXS): Charakterisieren Sie das Verhalten von dünnschichtigen Kristallen und die Orientierung der molekularen Ansammlung und bewerten Sie den Ladungsübertragungsweg. AlleNFAVorrangig orientiert,PM6: P2EH-1VDie Co-Mischmembran hält eine gute geordnete Ansammlung.(Bild1d)

Atomkraftmikroskop(AFM)Bewertung der Oberflächenform und Rauheit der Folie, um die Folienqualität zu reflektieren.Br-Ph-4PACzPerovskitfilmoberfläche gleichmäßiger, Rauheit reduziert auf18,9 nmbesser alsDie Me-4PACzder22,2 nm.(Abbildungen. 27)

UV-Elektronenspektrum(UPS)Bewertung der Funktion der Schnittstelle des Materials und der Ausrichtung der Energiestufen, um die Ladungsübertragung der Schnittstelle zu optimieren.Br-Ph-4PACzEs gibt eine tiefere Funktion und eine günstigere Ausrichtung des Energiebandes, um den Schnittstellenenergieverlust zu reduzieren.(Bild3b)

Kelvin-Sondekraftmikroskop(KPFM): QuantifizierungSAMFunktion Regulierung Effekt, Überprüfung der Schnittstelle Engineering Optimierung.KPFMBildbestätigungBr-Ph-4PACzeffektiver anpassen können.ITOBasisfunktionsverteilung.(Abbildungen. 18)

Leuchtenspektrum(PL)und FokusPLKarteBewertung der nicht-strahlenden Verbundverluste und der Gleichmäßigkeit der Folie, um den Fehlerpassivierungseffekt zu reflektieren.Br-Ph-4PACzPerovskitfilmPLFünffache Stärke,PLQYvon0.41%erheblich erhöht auf1.82%.(Bild3c)

Transitives Absorptionsspektrum(TA): Bewertung der Ladungsdynamik und der Lohlübertragungsprozess, um die Effizienz der Entlösung von excitonen zu überprüfen.575 nmEinrichtungenGSBDynamik bestätigtP2EH-1VnachPM6Effiziente Löcherübertragung.(Bild2d)

Ladungslösungswahrscheinlichkeit(Pdiss)Analyse: Beurteilen Sie die Effizienz der Erzeugung von photosynthetischen excitonen Ladungen und quantifizieren Sie die Fähigkeit der excitonen zu lösen.PM6: P2EH-1VGerätePdissDa96.1%Zeigen Sie die Möglichkeit, elektrische Ladungen zu erzeugen.(Bild2e)

Impedanzspektrum(Impedanz): Untersuchung der elektrischen Ladungszusammensetzungswiderstände des Geräts und Bewertung der Trägertransmissionseigenschaften.NyquistDiagramm anzeigenP2EH-1VDas Gerät hat einen höheren Kompositwiderstand und niedrigere Ladungsverluste.(Figs. 14)

Übergangsoptischer Strom(TPC)MessungenMessung der Extraktionslebensdauer des Ladungsträgers und Bewertung der Effizienz der Ladungssammlung.Br-Ph-4PACzDie optische Stromdämpfungslebensdauer des Geräts wird auf0,73 μsSteigerung der Effizienz der Extraktion von Trägern.(Bild3f)

Kontaktwinkelmessung：研究SAMFeuchtigkeitseigenschaften zur Beurteilung der Gleichmäßigkeit der Filmabdeckung.Br-Ph-4PACzDer Kontaktwinkel des Grundes wird auf10.4°Verbesserung der Perovskit-Vorläufer-Feuchtigkeit und dünne Filmabdeckung.(Abbildungen. 22)

Langfristige maximale Leistung(MPP)StabilitätsbewertungBewertung der langfristigen Betriebsstabilität des Geräts und Überprüfung des Anwendungspotenzials. Serienbatterien verpacken783Nach Stunden halten80%Effizienz,Br-Ph-4PACzGeräteder T80Erweitern auf550Stunden.(Bild4 Stunden)

Schnitt Scan Elektronenmikroskop(SEM)Visualisieren Sie die Struktur und die Dicke der Schichten, um die Präzision der Vorbereitung zu überprüfen. Klare Darstellung des optimierten Perovskits(~290 nm)mit organischen(~110 nm)Absorptionsschichten und mehrschichtige Verbindungsstrukturen.(Bild4a)

Schlussfolgerungen

Forschungsteam im Perovskit-Durchbruchsreiche Fortschritte im Bereich organischer Seriensolabellen ermöglichen durch eine doppelte Innovationsstrategie Rekordeffizienz und Stabilität.

Kerntechnologischer Durchbruch

Innovatives MaterialdesignEntwicklung eines neuen asymmetrischen Nicht-FulerenrezeptorsP2EH-1VDurch Einrichtungs-Ethylen-DoppeltastenπBrückenstrategie reduziert optische Energielücke auf1,27 eVAbsorptionsspektrum Rotverschiebung80 nmerreichen bis zu28,60 mA cm^-2Kurzschlussstromdichte. Effizienz der organischen Batterie17.9%Nicht-Strahlungsverluste aus0,26 eVHinunter0,20 eVhohe Wahrscheinlichkeit der Ladungslösung96.1%.

Interface Engineering Optimierung: Entwurf der selbstmontierten EinzelmolekularschichtBr-Ph-4PACzDurch die Regulierungsfunktion von Brombenzen-Ersatzmitteln und die Ausrichtung des Bandes ermöglicht es PerovskitfilmPLFünffache Stärke,PLQYvon0.41%erheblich erhöht auf1.82%. Breite Energiespalt Perovskit auf der Batterie Effizienz erreicht20.4%, vorhanden1,37 VHochspannung und85.5%Füllfaktor.

Leistung

Rekordeffizienz: Perovskit-Implementierung von organischen seriellen Solarzellen26,7 % PCEVon dem Shanghai Institute for Microsystems and Information Technology unabhängig zertifiziert26.4%，Überschreitet alle derzeit berichteten cm-Grad-Monobindung Perovskit, Perovskit-Perovskit und Perovskit- CIGSSeriale BatterieaufzeichnungFür 1 Einrichtung mit einer effektiven Fläche von Quadratzentimetern und einer stabilen Leistungsumwandlungseffizienz(PCE)erreichbar26.5%

Ausgezeichnete Stabilität: Serienbatterien unter Umgebungsbedingungen verpacken(25°C, 85%Relative Luftfeuchtigkeit)durch783StundeMPPNachverfolgt bleiben80%Anfangseffizienz, deutlich besser als eine einzige organische BatterieT80Nur180Stunde).Br-Ph-4PACzGeräteder T80Erweitern auf550Stunden bestätigt die positive Wirkung des UV-Filtereffekts auf die langfristige Stabilität der Perovskit-Schicht.

Referenz von Nature_DOI: 10.1038/s41586-025-09181-x

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