Forschungsergebnisse und Perspektiven

vonWei-Ausstellungsprofessorenteam an der Chinesischen UniversitätFührung, veröffentlicht in Top MagazineNaturkommunikation»Der Artikel hat das Thema„Ultradünne Polymermembran zur verbesserten Lochextraktion und Ionenblockierung in Perowskitsolarzellen»

Für die derzeitige hohe Leistungn-i-pPerovskit-SolarzellenLangfristige Lebensdauer begrenztDas Problem entsteht hauptsächlich aus Perovskit mit dopierten Elektrolochtransportschichten (HTL(in heterogenen Verbindungen)IonendiffusionDies führt zuHTLAbnahme der Leitfähigkeit und Verlust der Perovskit-Komponenten. Um diese entscheidende Herausforderung zu lösen, Wei Exhibition Professor TeamEntwickelt und untersucht eine ultradünne (ca.7von Nano)pPolymermittelschicht (D18）.

•D18Die ultradünne Zwischenschicht unterdrückt effektiv die Diffusion von Lithium-, Methylammonium-, Methyl- und Jodionen zwischen den Schichten.

• D18Verbesserte Perovskit/ HTLEnergieband-Anordnung der Schnittstelle für eine effizientere Löcherextraktion.

•Auf der Grundlage dieses innovativen Designs wurden Perovskit-Solarzellenbis26.39%(Zertifiziert als26.17%Effizienz der Power Conversion(kleine Geräte) und25.02%Effizienz (großflächige Geräte).

•Das Gerät läuft kontinuierlich unter maximaler Leistungspunktverfolgung 1100 Stunden später, immer nochAufrechterhalten der ursprünglichen Effizienz95.4%Es zeigt eine deutliche Stabilitätssteigerung.

•durchQFLS(Quasi-Fermi-Energiespaltung) AnalyseBestätigt.VOCDer Anstieg ist nicht nur auf eine Verringerung der nicht-strahlenden Komposite zurückzuführen, sondern auch aufD18Optimierung der Mittelschicht für die Energiebandausordnung.

Forschungsteam

Das Forschungsteam stammt hauptsächlich ausChinesische Universität，Wei AusstellungundXie LiqiangProfessoren sind Mitwirkende dieser Studie.Kommunikation AutorZusammen mit der Hong Kong City UniversityAlex. K.-Y. JenForscher wie Professoren arbeiten zusammen.

Forschungshintergrund

Im Bereich der Perovskit-Solarzellen, insbesondere bei leistungsstarkenn-i-pAuf dem Gebiet der Struktur stehen einige erhebliche Schwierigkeiten und Herausforderungen vor:

•Begrenzte Lebensdauer: Effizientn-i-pPerovskit-Solarzellen haben zwar effektive Energie, aberDie Betriebsdauer ist relativ begrenzt.Nicht besser.p-i-nDie Batterie ist stabil.

•Perovskit und Elektrolochtransportschicht (HTLIonendiffusion zwischenverursachtHTLAbnahme der Leitfähigkeit und Perovskit-Komponentenverlust.

•Häufig verwendeteHTLMaterial Spiro-OMeTADPuffy und dickerLeicht passieren.DopingverlustundMangelnde Ionenblockierfähigkeit.

•Um die Stabilität zu erhöhenErsetzenSpiro-OMeTADDies kann zu einer erheblichen Abnahme der Effizienz führen.

•Das Perovskitmaterial selbst hatEigenschaften der Ionenbindung, weicher Gitter, leichte IonenmigrationUnd dann Korrosion.HTLund Elektroden.

•Vorhandene Schnittstellenmaterialien sindSchwierige Balance zwischen der Unterdrückung der Ionengegenseitigen Diffusion und der Aufrechterhaltung einer effizienten Löcherextraktion.

Lösungen

Für die zuvor erwähntenn-i-pDie Schwierigkeiten und Herausforderungen der Perovskit-SolarzellenExtradünn einfügenpPolymermittelschicht (D18）als Kernlösung. Der Schwerpunkt liegt auf folgenden Aspekten:

•Aufbau einer Ionenblockierschicht:利用D18Polymere in Perovskit- und Elektrolochtransportschichten (HTLHauptsächlichSpiro-OMeTAD(Bildung eines zwischensehr dünn (ca.7Nano) und dichte Membrane.D18Besondere molekulare Strukturen von Polymeren, insbesondereDTBT SchmelzringStärke der Einheitπ–πStapelhilft, eine dichtere Folie zu bilden, wodurchEffektive Blockierung von Ionen in Perovskit (wie Lithium, Methylammonium, Methanol und Jod)HTLDie VerbreitungDiese Blockierung schütztHTLSie schützen sich vor Ionenkorrosion und reduzieren gleichzeitig den Verlust von Perovskit-Komponenten und verbessern somit die Stabilität des Geräts.

•Optimierung der Schnittstellenenergie:Neben der IonenblockierfunktionD18Die Mittelschicht ist auch so konzipiert, dassVerbesserung von Perovskit undHTLEnergieniveau zwischenDie Studie ergab,D18Energiegrad mit benachbarten Perovskiten undSpiro-OMeTADEs gibt eine bessere Übereinstimmung zwischen ihnen. Durch EinführungD18Das kann.Verringerung der Energieverluste an der Schnittstelle für eine effizientere Löchergewinnung.

•Wärmedrehverfahren:Um sicherzustellen,D18Mittelschicht.Dichte und gleichmäßige AbdeckungDas Forschungsteam nimmtWärmedrehverfahrenAblagernD18Film. Diese Methode ermöglicht einen besseren Schnittstellenkontakt und verbessert den Ionenblockierenden Effekt und die Effizienz der Elektrolochtransmission.

•VerifizierungD18：Das Forschungsteam hat experimentell gezeigt,D18inDie Fähigkeit zur Unterdrückung der Ionendiffusion ist deutlich besser als bei gängigen PolymerenHTLMaterialien wieP3HTundPTAADies ist aufD18Stärkere intermolekulare Wechselwirkungen ermöglichen es, dichtere Filme zu bilden.

Experimentelle Verfahren und Schritte

•Materialvorbereitung:

○Forschungsteamsynthetischals Schlüsselmaterial der ZwischenschichtD18Polymere

○Vorbereitungandere Materialien, die in Perovskit-Solarzellen benötigt werden, wie Zinnsalz (fürSnO2Elektronenübertragungsschicht), Bleijodid (PbI2sowie verschiedene organische Salze (zur Bildung von Perovskit).

○ZubereitungIn unterschiedlichen Konzentrationen.D18Lösung für die anschließende Filmabscheidung.

•Vorbereitung:

1. ZuerstFTOAblagerung auf GlassubstratSnO2Elektronische Übertragungsschicht

2. DurchZweischrittslösunginSnO2Auf der EbeneHerstellung von Perovskitfilmenund verwendenOAIPassivierung der Oberfläche.

3. Zur EinführungD18In der Mittelschicht werden die ForscherHeiß.D18Die Lösung wird auf eine passivierte Perovskitfilm gedrehtSie fandenAnwendung von Wärmebeschichtungen und entsprechenden KonzentrationenD18Lösung für dichte und gleichmäßige BildungD18Die Mittelschicht ist sehr wichtig.Sie beobachteten, dass unterschiedliche MolekulargewichteD18Es gibt Unterschiede in der Löslichkeit und Membranformität, schließlich gewähltDer D18-M(Mittelmolekulares Gewicht) Als Hauptschnittstellenmaterial. Sie fanden auch heraus, dass sieD18Die Rotationsbeschichtung kann auf kalten Perovskitfilmen leicht wiedervereint werden.

4. inD18Auf der EbeneDrehenSpiro-OMeTADElektrolochtransportschicht.

5. Verdampft Gold oder SilberElektroden, Fertigstellung der Vorbereitung von Solarzellengeräten.

•Studien zur Ionenblockierung:

Um zu verifizierenD18Die Fähigkeit, Ionen zu blockieren, entwickelten die Forscher ein Experiment, das beobachtete PbBr2undFAIDie Reaktion.

○Sie sind zuerst auf der Glasplatte.AblagerungPbBr2Film.

○Und dann zum TeilPbBr2Auf FilmVerschiedene KonzentrationenD18undP3HTundPTAAPolymerfilmals Vergleich.

○Anschließend gibt es in diesen Abdeckungen verschiedene MaterialienPbBr2Auf FilmDrehenFAILösungenBeobachten Sie, ob sich die Farbe ändert. Beobachten Sie die AbdeckungD18derPbBr2Der Film inFAINach dem DrehenKeine offensichtlichen FarbänderungenZeigtD18Es verhindert effektiv die Ionendiffusion. Im Gegensatz dazu benötigt man eine höhere Konzentration.P3HTundPTAASo kann ein ähnlicher Blockierungseffekt erzielt werden.

○Forscher nutzen auchXStrahlenbildung(XRD)Die Technik analysierte die Veränderungen in der Kristallstruktur dieser dünnen Filme und bestätigte weiterD18Bei einer bestimmten Konzentration kann verhindert werden.PbBr2undFAIReaktionen zwischen. Sie haben auch unter thermischem Stress untersucht.D18Fähigkeit, verschiedene Ionen zu blockieren.

•D18Analyse der Filmeigenschaften:

○verwendenScan-Elektronenmikroskop(SEM)Beobachtet.D18Überdeckung der Perovskit-Oberfläche, nachgewiesen durch Wärmedrehung erhältlichGleichmäßig und dichtD18Film.

○verwendenHochauflösendes penetratives Elektronenmikroskop(HRTEM)Es wurde gemessen.D18Die Dicke der Mittelschicht beträgt etwa7Nanound beobachtet.D18Enger Kontakt mit Perovskitkörnern und Kristallgrenzen. Sie bestätigten auch die Nachfolge.Spirowährend der Ablagerung sehr dünnD18Die Mittelschicht wird nicht zerstört.

○Durch Oberflächenpotentialmikroskop(KPFM) Die Verteilung des Perovskit-Oberflächenpotentials wurde analysiert undD18Kann mit Perovskit-Oberflächen gebildet werdenGleichmäßiger Kontakt.

Forschungsergebnisse und Charakterisierung

Quasi-Fermi-Energiespaltung(Quasi-Fermi-Niveausplutzung, QFLS)Mit offener Spannung(Voc)

Bewertung und Verständnis von Verlusten der nicht-strahlenden ZusammensetzungD18Einfluss der Mittelschicht auf die offene Spannung.

Bild3DDie Kontrollgruppe undD18Messung von BauteilenVocundQFLSDie Kontrollgruppe (Steuerung(undD18Spannung des Bauteils (VOC(und basierend auf der Quanteneffizienz der Lichtemittanz)PLQYBerechnete Quasi-Fermi-Energiespaltung (QFLS).D18GruppengeräteQFLSErhöhte Werte gegenüber der Kontrollgruppe20 MeVDas mitgemessen.VOCVerbessert.33 mV Übereinstimmend. Das zeigt,VOCDer Anstieg ist nicht nur auf eine Verringerung der nicht-strahlenden Verbundverluste zurückzuführen, sondern auch mitVerbesserte SchnittstellenenergieebeneBezüglich.

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2. Stromdichte-Spannung(J-V)Kurven

Das Forschungsteam nutzteEnliTechderAAASonnensimulatorSS-Xdurchführen J-VMessung der Kurve,Bewertung der Kernleistungsparameter von Solarzellen

Bild4aVergleich der Kontrollgruppe undD18Gruppe kleiner Fläche Perovskit SolarzellenJ-VKurven, einschließlich rückwärts und vorwärts scannen. EinführenD18Nach der Mittelschicht am bestenD18Kleinflächige Geräte realisiert 26.39%(Umkehrscannen) und26.12%(Vorwärts-Scan) Leistungsumwandlungseffizienz, Füllfaktor von80.37%Erhöhen auf83.92%Die Spannung von1,152 VErhöhen auf1,185 V，Dadurch wird die Gesamteffizienz verbessert.

•Bild4cZeigt eine große Fläche(1 cm2)Perovskit SolarzellenJ-VKurven, verglichen auch die Kontrollgruppe undD18Gruppe. Auch auf großen Flächen verwendetD18Die Mittelschicht zeigt weiterhin eine hohe Effizienz.

3. Externe Quanteneffizienz(Externe Quanteneffizienz, EQE)

Forschungsteam verwendetEnliTechderEQESystemQE-R，Messung der Reaktion der Solarzellen auf Licht mit verschiedenen Wellenlängen und Berechnung der Kurzschlussstromdichte(Jsc).

BildS 23：Kontrollgruppen vergleichenD18Externe Quanteneffizienz von Perovskit-Solarzellen (EQE(Spektrum). im gesamten Bereich der sichtbaren Lichtabsorption,D18GruppengeräteEQEVerglichen mit der Kontrollgruppe verbessert. PunkteEQESpektral erhaltene Kurzschlussstromdichte undJ-VDie gemessenen Werte der Kurve stimmen überein.

Forschungsergebnisse:D18Integrale Kurzschlussstromdichte 25,86 mA cm?25 undJ-VDas Ergebnis der Kurve ist konsistent.

Andere Merkmale

•XStrahlenbildung(XRD)：

Analyse der Kristallstruktur und Reinheit der Perovskitfilme und Bewertung des Abbaus der Geräte unter thermischer Belastung. Auch zur Bewertung verwendetD18Ionenblockierende Wirkung. Das Ergebnis bestätigtD18Die Zwischenschicht kann den Abbau von Perovskit unter thermischer Spannung effektiv unterdrücken.In einer bestimmten Konzentration kannverhindernPbBr2undFAIIonenaustausch zwischen.(Bild)1cBild2bBildS 10）

•Zweites Ionenmassenspektrum der Flugzeit(ToF-SIMS)：

Analyse der Verteilung der Elemente innerhalb der Geräteschicht und Untersuchung der Migration von Ionen im Alterungsprozess. Die Ergebnisse zeigen, dass unter thermischer Belastung,Perovskit in SteuergerätenIch-undFA+Ionen sind offensichtlichSpiro-OMeTADSchichtdiffusionundD18Die Ionenmigration in den Baugruppen wird erheblich unterdrückt.(Bild)2eund2fBildS 13）

•Leuchtend(PL)Licht und Zeit unterscheiden(TRPL)：

Untersuchung der Trägerdynamik und der Grenzflächenladungsübertragungseffizienz von Perovskit. EinführenD18hinter der Mittelschicht,Die excitante Komposition von Perovskit wird effektiv unterdrückt und die Effizienz der Ladungstrennung und der Extraktion verbessert.(Bild)3aBild3bBildS 19）

•Kelvin-Sondekraftmikroskop(KPFM)：

MessungenHTLOberflächenpotenzial, Beurteilung nach AlterungHTLFunktionsänderungen. Nach der AlterungSteuergeräteSpiro-OMeTADDas Oberflächenpotential verringert sich deutlich und die Arbeitsfunktion verringert sich deutlich.，D18GruppengeräteSpiro-OMeTADDie Oberflächenpotential- und Funktionsveränderungen sind geringer. (Bild)2 Stundenund2i）

•Scan-Elektronenmikroskop(SEM)：

Beobachten Sie die Oberflächenformation der Folie und die Schnittstruktur des Geräts. BildbestätigungD18Die Zwischenschicht ist in der Lage, eine dichte Folie zu bilden, die effektiv die Perovskit-Oberfläche abdeckt und die Form des Perovskits nach der Alterung schützt. (Bild)2dBildS5）

Schlussfolgerungen

Diese Studie ist erfolgreichn-i-pEinführung einer Schicht in Perovskit-SolarzellenSehr dünn.D18PolymermittelschichtDieses innovative Design hat erhebliche Fortschritte gemacht:

•Stabilität der Solarzellen erheblich verbessert：D18Mittelschicht effektivBlockiert Perovskit- und Lochtransportschichten(HTL)Ionendiffusion zwischenDamit werden Perovskitmaterialien geschützt undHTLFrei von Abbau. Versuche zeigen, dass im Vergleich zu keinemD18Mittelschicht Geräte, VerwendungD18Die Geräte können unter ständigem Licht und hohen Temperaturen eine höhere Effizienz aufrechterhalten.

•Verbesserte Energieumwandlungseffizienz：D18MittelschichtOptimierte Perovskit undHTLEnergieniveau zwischenEs fördert die effektive Extraktion von elektrischen Löchern und reduziert die Schnittstellenenergieverluste. Schließlich erhielten die vom Forscherteam hergestellten Solarzellenbis26.39% (Zertifiziert als26.17%)Leistungsumwandlungseffizienzund große Fläche.(1Quadratzentimeter)Auch die Effizienz der Geräte25.02%.

Referenz von Nature Communications_DOI: 10.1038/s41467-024-55329-0

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