Forschungshintergrund und Herausforderungen

PSCDer Schlüssel zur Kommerzialisierung liegt in der unzureichenden Reproduzierbarkeit der Fehlerpassivationsprozesse. Diese Studie befasst sich mit drei zentralen Herausforderungen auf diesem Gebiet:

1. Variabilität des OberflächenstandsDer Oberflächenzustand der Perovskitfilme unterscheidet sich erheblich zwischen den verschiedenen Chargen und den Bedienern, und selbst kleine Prozessschwankungen (Temperatur, chemometrisches Verhältnis, Feuchtigkeit) führen zu einer sehr unterschiedlichen Fehlverteilung, die den Passivierungseffekt schwierig macht, wiederherzustellen.

2. Optimale Passivator Konzentration Kontrolle SchwierigkeitenTraditionelle Strategien erfordern eine Balance zwischen Fehlerbehebung und Ladungsübertragung (optimale Konzentration).C*Variationen im Zustand der Oberfläche führen jedoch dazu, dass die festgelegten optimalen Bedingungen nicht über Experimente hinweg wiederholt werden können oder sogar negative Auswirkungen haben.

3. Eigene Einschränkungen des konventionellen Passivierungsmodus：CPÄnderungen in der Passivatorkonzentration im Modus beeinflussen die Verteilung erheblich auf die Ausrichtung des Energieniveaus und beeinflussen die Reproduzierbarkeit. Übermäßige Passivierungsmittel bilden leicht Restpulver und niedrige Dimensionen, was zu einem übermäßig hohen Schnittstellenwiderstand, einer verringerten Geräteleistung und anfänglichen Stabilitätsproblemen führt.

Forschungsteam und LösungenMethode

Dieser Artikel über Perovskit-Solarzellen (PSCsStudie der Strategien zur Passivierung von Mängeln, durchProfessor Wang Yi von der Universität Westlake und Professor Xue Jingqiang von der Universität Zhejiangdurch ein gemeinsam geführtes Team abgeschlossen. Ihre Forschungsergebnisse wurden in führenden internationalen Zeitschriften veröffentlicht. Natürliche Energie (Natur Energie）Auf.

Das Forschungsteam schlägt vor »Passivierung "(Gesättigte Passivierung, SP(Neue Strategie)Wir lösen diese Herausforderungen mit einem innovativen zweistufigen Ansatz:

Schritt 1: Aktive Regulierung

Verwendung von Isopropanolfluorid (FIPAReduzierung der Reaktivität und Penetrationsfähigkeit von Passivationsmolekülen, die die Verwendung von hohen Konzentrationen von Passivatoren ermöglichen, um sicherzustellen, dass alle Oberflächenfehler vollständig passiviert werden, während Überreaktionen und die Überbildung schädlicher niedrig dimensionaler Phasen vermieden werden.

Schritt 2: Genaue Reinigung

AnwendungFIPAmit Isopropanol (IPAMischen Sie Lösungsmittel zum Spülen, um überschüssige nicht-bindende Passivierungsmittelmoleküle genau zu entfernen, um eine defekte Sättigung Passivierung zu erreichen und eine niedrige Dimensionsschicht in der richtigen Dicke zu halten.

Schwerpunkte Forschungsergebnisse

Abbildung 3i

1. FIPAMechanismus des Lösungsmittels：FIPAMittelfluor und Ammoniumsalz Passivator bilden starke Wasserstoffbindungen (H-FWasserstoffbindungen), Wettbewerbshemmer undPbI2Die Überreaktion reduziert effektiv die Reaktionsaktivität des Passivators und die Penetrationsfähigkeit, um die schädliche niederdimensionelle Überbildung zu vermeiden.

2. Beträchtliche Erweiterung des Betriebsfensters ：SPStrategien haben eine hohe Toleranz für Passivator-Konzentrationsabweichungen im Vergleich zu herkömmlichenCPDas Modell bietet einen breiteren geeigneten Konzentrationsbereich, der die Reproduzierbarkeit des Prozesses erheblich verbessert.

3. Geräteleistung

• Effizienzdurchbruch：n–i–pNiedrige BandbreitePSCDa25.6%undp–i–nNiedrige BandbreitePSCDa26.0%undp–i–nBreitbandlückePSCDa23.0%und1 cm2Große FlächePSCDa24.5%

• Verbesserung der Stabilität：1000Stundenbeschleunigte Alterung bleibt überschritten80%AnfangsPCEDie anfängliche Stabilität ist deutlich besser alsCPGeräte

• Verzögerung verringert: Mängelpassivation wirksam unterdrückt Ionenmigration

4. Umfassende Überprüfung der Universalität SPDiese Strategie gilt für:

• Verschiedene Strukturen (n–i–pundp–i–n）

• Verschiedene Perovskit-Zusammensetzungen (unterschiedlicheBrInhalt)

• Vielfältige Zubereitungstechniken (Zweischrittsmethode, Antilösungsmittelabscheidungsmethode)

• Verschiedene Vorbereitungsumgebungen (Stickstoff, Luft)

• Mehrere Gerätefläche (deutlicher bei großen Geräten)

• Durch Einweichen erreichbar, mit Industrialisierungspotenzial

Experimentelle Schritte und Prozesse

Abbildung 4j

1. Perovskitfilmzubereitung Verifizierung mit zwei HauptabsetzungsmethodenSPStrategische Universalität:

• Zwei Schritte: SchichtdrehungPbI2Lösungen undFAI/MAClNach dem Abbrennen der Lösung wirdn-i-pundp-i-nStrukturelle niedrige und breite Bandspalten Perovskit

• Antilösungsmittel-Ablagerung: Tropfen und Antilösungsmittel (Feniselether oder Ethylessigat) während der Rotationslösung

Die Vorbereitungsumgebung umfasst Stickstoffhandschuhe (hohe Reinheit) und Luftumgebung (25-30%Feuchtigkeit, Simulation der tatsächlichen Produktionsbedingungen).

2. Montage der Geräte

• Substratstruktur：ITOoderFTOAblagerung von Elektronen auf Glassubstraten/Elektrolochtransportschicht (SnO2und2PACzundNiOx / Me-4PACZwarten)

• SPPassivierungPassivierungsmittel mit hoher Ammoniumsalzkonzentration (PEAIusw.) gelöstFIPAZwischenbeschichtung auf Perovskit-Oberfläche und anschließende AnwendungFIPA / IpanDas Mischlösungsmittel wird gespült, um überschüssige Moleküle zu entfernen.p-i-nStrukturgeräte müssen kurzzeitig niedergebrannt werden

• Alternative Methoden: Überprüfung der Machbarkeit der Einweichmethode als Alternative zur Rotationsbeschichtung

• Elektrode fertig: Ablagerungs-Loch-Übertragungsmaterial (Spiro-OMeTAD(oder Elektronische Extraktionsschicht)LiF / C60 / BCPSchließlich verdampfte Metallelektrode

3. Leistungstest Messung unter StandardbedingungenJ-VEigenschaften Kurven, erhaltenPCEundVOCundJSCundFFWichtige Parameter. Alle Messungen sind unbehandelt und speziell für1 cm2Großflächige Geräte zur Bewertung des Industrialisierungspotenzials.

Charakterisierungsmethoden und Ergebnisse

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

Beurteilung der Perovskitfilmdefekt-Passivierungseffekte und der Nicht-Strahlungskompositverlusthemmungsfähigkeit,QFLSVerbesserung der direkt verknüpften GeräteVOCundFFVerbesserung.

durch100 mM PEAI/FIPABehandlte PerovskitfilmeQFLSfilmVerbesserungen bis17,5 mVoffensichtlich besser alsPEAI/IPABearbeitet12,8 mVDie Reinigungsschritte werden durchPEAIPulver gelöst oder2DVerringerung der Verbesserung, aberIPANach der ReinigungQFLSfilmVerbesserungen etwas höher alsFIPAReinigung.SPNachbehandlungsfilmQFLSfilmkontinuierliche Verbesserung,PLNicht sichtbar im Spektrum2DPhasen-Emissionsspitz bestätigt die Stabilität des Passivierungseffektes.

BildS 12 zeigen100 mM PEAI/FIPAundPEAI/IPABehandlung des Films nicht gereinigt,FIPAReinigung,IPAReinigung unter drei BedingungenQFLSfilmVerbesserung des Vergleichs.PEAI und FIPAUngereinigte Proben zeigen höchste Verbesserung(17,5 mV)Intuitive Darstellung der Auswirkungen verschiedener Lösungsmittelbehandlungen und Reinigungsschritte auf den Mangelpassivationseffekt.

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Stromdichte-Spannung(J-V)Kurven

Charakterisieren Sie die Kernleistungsparameter von Solarzellen, die die Ladungsübertragung des Geräts und die gesamte Photovoltaik-Leistung widerspiegeln.

SPStrategie erheblich verbessertPSCsderPCEDarstellung.Cs0.05FA0.95PbI3 p-i-nStrukturgeräte durchPEAI-SPNach der Behandlung,PCEErreichen25.5%（VOC = 1,17 V，FF = 83,00%，JSC = 26,30 mA cm^-2). Die Strategie für verschiedene Komponenten Perovskit (20 % FAPbBr₃oder40 % MAPbBr₃Doping), verschiedene Herstellungsmethoden und verschiedene Umgebungen zeigen eine hervorragende Vielseitigkeit.SPPassivierung wirksam Verzögerungen zu reduzieren, die auf defekte Passivierung unterdrückt Ionenmigration zugeschrieben werden.

Bild4a Referenzgeräte undPEAI-SPBearbeitetCs0.05FA0.95PbI3 p-i-nStrukturgeräteJ-VKurvenvergleich undPCEStatistische Histogramme.SPBearbeiten Gerätekurven mehr "rectangular", zeigtHöhere Füllfaktoren und Leistungsumwandlungseffizienz，PCEKonzentriertere Verteilung und höherer DurchschnittSPEine erhebliche Wirkung der Strategie bei der Verbesserung der Geräteleistung und der Wiederholbarkeit.

Externe Quanteneffizienz(Externe Quanteneffizienz, EQE)

Die Effizienz der Umwandlung von Eingangsphotonen in Ausgangsstrom unter Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen spiegelt die spektrale Reaktionsfähigkeit des Geräts und die Effizienz der Nutzung von Sonnenlicht direkt wider. MessungEnliTech QE-RQuanteneffizienzmesssysteme.

EQESpektrale DatenunterstützungJ-VMessung der KurveJSCWerte, die die Leistung des Geräts in den einzelnen Spektralbereichen weiter überprüfen, bestätigenSPOptoelektrische Konvertierungsfähigkeit von Geräten nach der strategischen Bearbeitung.

BildS 22a zeigenCs0.05FA0.95PbI3 p-i-nStrukturgeräteEQESpektrum. Geräte im sichtbaren Licht und im nahen Infrarotbereich (ca.300 bis 850 nm(DarstellungHohe Quanteneffizienz, nahe Spitze90%Es wurde bestätigt, dass das Gerät in diesem Wellenlängenbereich eine effiziente Lichtabsorption und Ladungssammelkapazität aufweist.

Maximale Leistungspunktverfolgung(MPP-Verfolgung)

Überwachen Sie die Stromausgabe des Geräts, die sich im Laufe der Zeit bei konstanter Beleuchtung und Verfassungsspannung ändert, um die langfristige Betriebsstabilität zu bewerten, insbesondere die Leistung unter beschleunigten Alterungsbedingungen.

Simulation beschleunigter Alterung unter Testbedingungen (65°CundN₂In der Handschuhkasse0.8Sonnenlicht).SPStrategie zeigt Stabilität.SPGeräte in1000Bleibt nach Teststunden noch über80%AnfangsPCEDie traditionelle Passivierung(CP)Geräte am Anfang260Innerhalb einer StundePCEEin starker Rückgang, sogar niedriger als in der Kontrollgruppe, wurde auf eine übermäßige Penetration des Passivators zugeschrieben.SPDie anfängliche Stabilität des Geräts ist deutlich besser alsCPGeräte, die durch eine verminderte Passivationsdurchdringung entstehen.

BildS 34 Vergleichen Sie nicht verpackte Kontrollgruppen,CPundSPNormalisierung der Geräte im beschleunigten AlterungstestPCEVerändert sich mit der Zeit.SPGerätePCEDie langsamste Abbau und die beste LangzeitstabilitätundCPDas Gerät zeigt bereits in der ersten Phase des Tests einen deutlichen Leistungsabfall.

Andere Merkmale

1. WinkelunterscheidungXStrahlenfotoelektronenspektrum(AR-XPS) Analyse der Tiefenverteilung und Penetrationsfähigkeit von Passivationsmolekülen in Perovskitfilmen.BestätigenFIPA-SPModus zur effektiven Entfernung von TiefenPEAIMinimale Oberflächenreste und verbesserte Passivierungs-Wiederholbarkeit.(Bild1d)

2. XStrahlenbildung(XRD) Analyse der Veränderungen der Kristallstruktur der Perovskitfilme nach der Passivierungsbehandlung und2DBildung.BestätigenFIPAerhebliche UnterdrückungPEAIPulver Spitzen und2DBei der Bildung erfolgt eine wirksame Unterdrückung der Phasenänderung.(Bild1e)

3. Leuchtenspektrum(PL) Bewertung der Nicht-Strahlungskompositverlusthemmung,PLDie Stärke spiegelt die passivierende Wirkung von Mängeln wider.anzeigenFIPAFähigkeit zur Entfernung von Molekülen von Passivatoren,IPABei erhöhtem VolumenverhältnisPLStärke zunimmt allmählich.(Bild3g)

4. Scan-Elektronenmikroskop(SEM) Direkte Beobachtung der morphologischen Veränderungen der Perovskitfilmoberfläche, insbesonderePbI₂Bereicherung der regionalen Transformation.BestätigenFIPAUnterdrückenPEAIReaktiv, nach der BehandlungPbI₂Bereicherungsgebiete(Helle Zone)teilweise noch existiert.(Bild1g)

5. Kernmagnetresonanzspektrum(NMR)und Fourier-Transformation des Infrarot-Spektrums(FTIR) Forschungslösungsmittel,PbI₂Mechanismen der molekularen Wechselwirkung zwischen Passivatorliganden.BestätigenFIPAMittelfluoratome und Ammoniumpassivationsmittel bilden starke Wasserstoffbindungen, die die niederdimensionelle Phasenbildung behindern.(Bild2f)

6. Statistische Analyse von Photovoltaik-Parametern : BewertungSPVielseitigkeit, Wiederholbarkeit und Anwendbarkeit der Strategie.BestätigenSPDie Strategie funktioniert hervorragend in verschiedenen Geräten,1 cm2Große FlächePSCsderPCEvon21.6%Erhöhen auf24.5%.(BildS 24a)

Schlussfolgerungen

Erfolgreich entwickelt ForschungsteamPassivierung (SP(Strategie)effektiv gelöst.PSCsDie herkömmliche Passivierungsmethode erhöht die Effizienz, Stabilität und Reproduzierbarkeit des Geräts erheblich durch die Probleme der Effektinkonsistenz, die durch Variationen des Oberflächenzustandes verursacht werden.

Kerninnovationsdurchbruch:

1. FIPASchlüsselrolle von LösungsmittelnIsopropanolfluorid (FIPAsignifikant reduziert die Reaktionsaktivität von Passivator-Molekülen mit Perovskit im Vergleich zu herkömmlichen Isopropanol (IPAStellen Sie sicher, dass Mängel passiviert werden und die Ladungsübertragung nicht beeinträchtigt werden.FIPAErweitert das Betriebsfenster, so dass die Strategie eine hohe Toleranz gegenüber Veränderungen der Passivatorkonzentrationen, Ablagerungsmethoden und kompatiblen Passivatoren aufweist und eine ausgezeichnete Vielseitigkeit aufweist.

2. GeräteleistungMehrere Effizienzdurchbrüche:n–i–pNiedrige BandbreitePSCDa25.6%undp–i–nNiedrige BandbreitePSCDa26.0%undp–i–nBreitbandlückePSCDa23.0%und1 cm2Große FlächePSCDa24.5%.SPStrategie bietet einen breiteren Betriebsbereich der Passivatorkonzentrationen (20-100 mM PEAIStabile Effizienz bei Konzentration25%Effektiv unterdrückt der Verzögerungseffekt und verbessert die Leistung von Geräten mit großen Flächen erheblich.

3. Ausgezeichnete StabilitätBeschleunigte Lebensdauertest (65°C、0.8Sonnenlicht,N₂Umwelt),SPGeräte1000nach einer Stunde noch mehr80%AnfangsPCETraditionelle Passivierung (CPGeräte vor260Ein signifikanter Rückgang innerhalb von Stunden, sogar schlechter als in der unbehandelten Kontrollgruppe, wurde aufSPStrategien zur effektiven Reduzierung der übermäßigen Penetration von Passivatoren.

4. QFLSerhebliche Verbesserung：SPBearbeitung Film Display kontinuierlichQFLSVerbesserung,100 mM PEAI/FIPABearbeitete FolienQFLSfilmVerbesserungen bis17,5 mVoffensichtlich besser alsPEAI/IPAder12,8 mVSie zeigen reproduzierbare Effekte bei der Reduzierung von Spannungsverlusten auf offener Schaltung.

Referenz von Nature Energy_DOI: 10.1038/s41560-025-01791-z

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