Forschung Schwierigkeiten und Herausforderungen

Vorhandene hocheffiziente Ladungsselektive Kontaktschichten (z. B. Selbstmontierende Einzelmolekularschichten,SAMs(Mehr für die Optimierung von Perovskit-Solarzellen mit enger Energiespalte, deren Energiestufeneigenschaften nicht für eine breite Energiespalte sind)WBGPerovskit-Mine maßgeschneidert gestaltet. Diese Schnittstellenergie-Phasenfehler führt zu einer schweren nicht-strahlenden Zusammensetzung, die direkt zu einem offenen Schaltungsspannungsverlust und einer Verringerung des Füllfaktors führt, was die Gesamtleistungsumwandlungseffizienz des Geräts erheblich einschränkt.

Die Herausforderung der Studie besteht darin, wie systematisch undPräzise RegulierungSAMEnergiestufeMachen Sie es mitWBGPerovskit erreichtDie beste ÜbereinstimmungSomitVerringerung der Schnittstellenkomponentenverluste und Verbesserung der LadungsextraktionseffizienzVerbesserungWBGGesamtleistung von Perovskitbatterien und Überlagerungsbatterien.

Forschungsteam und Publikation

Diese bahnbrechende Studie stammt vonProfessor von Zhejiang University undDeren Yang教授Gemeinsame Führung, Forschungsergebnisse in renommierten internationalen akademischen Zeitschriften veröffentlicht NaturkommunikationDas Team zeigt, wie man molekulare Strukturen inInduktionseffektePräzise und systematische RegulierungSAMsEnergie und auf dieser Grundlage eine hohe LeistungWBGPerovskitbatterien undPerovskit mit Rekordeffizienz/ TOPConÜberlagerte Batterien.

Forschungsergebnisse und Perspektiven

l Kerninnovation: Erfolgreicher Einsatz von Induktionseffekten in molekularen Strukturen(Induktiver Effekt)Präzise und systematische Regulierung der montierten Einzelmolekularschicht(SAM)Energiestufe.

l realisierenSAMsEnergiestufenoptimierung für große Energielücken(WBG)Die Nachfrage nach PerovskitbatterienEs löst die Effizienzengpässe, die durch Energie-Phasenfehler verursacht werden.

l Bestätigt, dass die ElektronikgruppePyAA-MeO SAMsErstellt die günstigste Schnittstelle EnergiestufenausrichtungDies fördert die Löcherextraktion erheblich und reduziert die Verluste von nicht-strahlenden Komponenten erheblich.

l Vorbereitung von leistungsstarkenWBGPerovskit-Single-Binding-Batterie, Energieumwandlungseffizienz(PCE)Höchst erreicht22.8%und mit hoher offener Spannung(VOC)und Füllfaktor(FF).

l Geräte zeigen eine ausgezeichnete StabilitätSie leisten sich bei einer Vielzahl von beschleunigten Alterungstests wie Licht, Wärmespannung und Maximalpunktverfolgung hervorragend.

l Basierend auf der OptimierungSAMsErfolgreich hochleistungsfähiges Perovskit gebaut/ TOPConÜberlagerte Batterie, erreicht31.1%Leistungsumwandlungseffizienz(Zertifiziert von Dritten als30.9%).

l Durch AnalysePLQYAls Ergebnis wurde extrahiert und quantifiziert.Quasi-Fermi-Spaltung(QFLS)Gewinne，PyAA-MeOEinbindenPerovskitfilm zeigtDie größteQFLSGewinn(48,1 MeV)mit den höchsten in Photovoltaik beobachteten GerätenVOCÜbereinstimmung,Spiegelt eine Verringerung der Verluste von nicht-strahlenden Komponenten wider.

l Die Effizienz dieser überlagerten Batterie ist derzeit gemeldet Perovskit/ TOPConEiner der hohen Effizienzen in überlagerten Batterien.

Abbildung 4e

Experimentelle Verfahren und Schritte

Abbildung 1ab

Molekulares Design und Synthese Das Forscherteam entwarf und synthetisierte eine Reihe von Pyrenen-Kernstrukturen mit Acryl-Ankergruppen.SAMMoleküle, einschließlichPyAAundPyAA-BrundPyAA-MeundPyAA-MeOJedes Molekül hat unterschiedliche elektronische Eigenschaften.

SAMsFilmvorbereitung wird synthetisiert.SAMDas Molekül wird in einem bestimmten Lösungsmittel gelöst undITODie Ablagerung auf dem Substrat bildet eine monomolekulare Folie, die anschließend zum Ausbrennen zur Stabilisierung der Folienstruktur durchgeführt wird.

Perovskitfilmzubereitung inSAMsmodifiziertITOAuf dem Substrat wird eine Perovskit-Vorläuferlösung mit breitem Spalt zusammengestellt, die Perovskitfilm mit Rotations- und Antilösungsmittelbehandlungstechniken abgelegt und ausgebrannt.

Vorbereitung von Solarzellen mitSAMsModifizierenITOAls Basis wird die Perovskitschicht in der Reihenfolge abgelegt und die Elektronentransportschicht durch Wärmeverdampfung abgelegt (LiFundC60undBCP(und Silberelektroden, um die umgekehrte Struktur der einzelnen Perovskit-Solarzellen zu vervollständigen.

Vorbereitung von Solarzellen Optimierte Breitgap Perovskit Mineralbatterien (basierend aufPyAA-MeOIntegration zur KommerzialisierungTOPConKristalline Siliziumbatterien. inTOPConAblagerung auf SiliziumsubstratNiOxSchichten,SAMsPerovskit, Oberflächenpassivationsschicht und Zwischenschicht (LiFundC60undSnO2(und obere Elektrodenstruktur)InformationenundAgundLiFMontage in Perovskit/ TOPConÜberlagerte Solarzellen.

Theoretische Berechnungshilfe Berechnungssimulation unter Verwendung der Dichte-Panfunktionstheorie und des PrimärprinzipsSAMMoleküle sindITODie Struktur und die Wechselwirkungen der Oberfläche unterstützen das Verständnis der experimentellen Beobachtungen und leiten das Design des Experiments.

CharakterisierenParteienGesetz und Ergebnisse

1.J-VMerkmale messen

Forschungsteam verwendet SimulationenAM 1,5 GSpektrum(100 mW cm)-²)Quellenmesseinheit unter Beleuchtung(Keithley 2400)durchführenJ-VEigenschaften messen. Genaue und zuverlässigeJ-VDie Messung erfordert hochwertige Sonnensimulatoren,LichttechnologieEnlitech SS-XSonnensimulatorSeinDer AM1.5GDer Filter verwendet eine fortschrittliche Plasmaabscheidungstechnologie mit hoher Spektralgenauigkeit und ausgezeichneter Haltbarkeit.

Die Ergebnisse zeigen, dass auf der Grundlage der unterschiedlichenSAMsBreite EnergielückePSCsDurchschnittliche Effizienz vonPyAA-Brder12.9%allmählich aufPyAA-MeOder22.1%Unter ihnen,PyAA-MeODas Gerät auf der Grundlage leistet die beste Leistung, erreicht22.8%derPCE, vorhanden1,24 VderVOC、84.3%derFFund21,8 mA cm^-2 derJSC.

Bild4aDargestellt basierend auf verschiedenenSAMsderPSCsGeräteJ-VKurven,Tabelle1Die Leistungsparameter dieser Geräte werden zusammengefasst.

Bild4eEs zeigt eine überlagerte Batterie.J-VKurven.

2.Externe Quanteneffizienz(EQE)Messungen

Messung der Effizienz der Batterie bei der Erzeugung von Trägern unter verschiedenen WellenlängenJ-VIn der MessungJSCWert. Forschungsteam verwendetEnlitech QE-RExterne Quanteneffizienz-IntegrationssystemeDie Messung unter Kurzschlussbedingungen erfolgt unter Verwendung eines Sperrphasenverstärkers und eines Stromverstärkers.EQEDie Messung versteht, wie die Batterie in verschiedenen Spektralbereichen reagiert.LichttechnologieEnlitech QE-RQuanteneffizienzmesssystememit hoher Wiederholbarkeit.(> 99.5%)Es ist mit zwei unabhängigen Phasenverstärkern ausgestattet, die sowohl die Lichtleistung als auch das Gerätesignal überwachen können.

Bild4b Vergleich basiert aufPyAAundPyAA-MeOvon GerätenEQEKurven.PyAA-MeOGrundgeräteEQEDie Kurve zeigt eine höhere Antwort, die durch die Berechnung des IntegralsJSCWert für21,0 mA cm^-2höher alsPyAAGrundgeräte20,2 mA cm^-2.EQEDie Erhöhung des Integralstroms ist auf eine verbesserte Energieausrichtung zurückzuführenEffizientere Löcherextraktion.

Bild4f Anzeige Perovskit/SiliziumschichteinrichtungenWBGUnterbatterien und SiliziumbatterienEQEKurven, PunkteJSCDer Wert ist jeweils19,8 mA cm^-2 und19,7 mA cm^-2.

3.Quasi-Fermi-Spaltung(QFLS)Zusammenhängende optische Charakterisierung

QFLS (Quasi-Fermi Level Splitting)Beschreibt die ungleichgewichtige Energiestufenverteilung der photosynthetischen Träger unter Licht zur Quantifizierung von MaterialienVOCPotenzial und helfen, die Quellen der nicht-strahlenden Verbundverluste zu verstehen. Das Forscherteam hat auf der Grundlage verschiedenerSAMsPerovskitfilmPLQYForschungsteam verwendetEnlitech LQE-50-EL (LQ-50)Elektroluminescentes externes QuanteneffizienzsystemSammelnEQEEL.

DurchPLQYDurch die Messung wurde festgestellt, dass der WertSAMDie Funktionsfähigkeit der Elektronik erhöht sich durchPyAA-Brder0.70%Aufsteigen aufPyAA-MeOder5.71%auf der Grundlage dieser Berechnung quasi-Fermi-Stufenspaltung(QFLS)Der gleiche Trend zeigt sich vonPyAA-Brder17,2 MeVHinzufügenPyAA-MeOder48,1 MeV， PyAA-MeOZeigt die größteQFLSVerbesserungDies mit der höchsten offenen Schaltungsspannung seiner Geräte(VOC)Hoch übereinstimmend. Außerdem ist das gesamte GerätEQEELDie Messung bestätigt weiter,EQEELDer Wert steigt mit der Verbesserung der Funktionsfähigkeit der Elektronik, so dassPyAA-MeOSpannungsverlust des Geräts(ΔV)Kleinste(Nur0,18 mV)Diese ausgezeichneten optischen Leistungsindikatoren stammen aus einer günstigen Schnittstellenergieausrichtung,Fördert eine effiziente LöcherextraktionundSignifikant reduzierte Schnittstellenladungszusammensetzung.

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4.Übergangsoptischer Strom(TPC)Abbau Messung

Untersuchung der Extraktionsdynamik von Trägern (Leerlöcher) unter Kurzschlussbedingungen. Durch die Optimierung der Schnittstellenenergie, die durch den Effekt der Elektronenmethoxygruppe induziert wird, wird die schnelle Extraktion von Löchern effektiv gefördert.(Bild3d)

Andere Merkmale

1.XStrahlendiffraktion(XRD)：Bewertung der Kristallqualität der Perovskitfilme. Die Spitzen und Intensität der Proben waren fast gleich und wurden kaum beobachtet.PbI₂ Der Gipfel33Dies zeigt, dass verschiedene Funktionsgruppen wenig Einfluss auf die Kristallisation von Perovskit haben.(Bild2a)

2.2D Eindring BreitwinkelXStrahlenverstreuung(2D GIWAXS)

Untersuchung der kristallinen Orientierung der Perovskitfilm-Ablagerung auf verschiedenen Substraten. In allen vier Fällen ist die kristalline Orientierung der Perovskitfilme ähnlich. Dies bestätigt, dass die VeränderungSAMDie Funktionsgruppen haben keinen signifikanten Einfluss auf die Kristallisation und Orientierung der Perovskitfilme.(BildS 24)

3.Scan-Elektronenmikroskop(SEM)

Beobachten Sie die Oberflächenform der Perovskitfilme.SAMÄnderungen der Funktionsgruppen beeinflussen die Qualität der oberen Perovskitfilm vernachlässigbar.(Bild2b)

4.UV-Sichtbares Spektrum(UV-Visspektroskopie)

Beurteilung der optischen Absorptionseigenschaften und optischen Bandspalten von Perovskitfilmen. Ähnliche spektrale Form und Intensität deuten darauf hin, dass die Änderung der funktionalen Gruppen die Lichtabsorption und die optische Bandlücke des Perovskitmaterials nicht veränderte.(Bild2c)

5.UV-Elektronenspektrum(UPS)

ErhaltenSAMmodifiziertITOOberflächenenergieniveauinformationen und -analysenSAMEnergieausrichtung mit der Perovskit-Schnittstelle. Beweise, dass die beobachteten Verbesserungen der Energieausrichtung hauptsächlich aufSAMVeränderung des Energieniveaus.(Bild3b)

6.Kelvin-Sondekraftmikroskop(KPFM)

MessungenSAMÄnderung des Oberflächenpotentials der Modifizierungsfläche. Es wurde gezeigt, dass das Oberflächenpotential mit der Verbesserung der Funktionsgruppe der Elektronenkapazität abnimmt, was darauf hindeutet, dass vonPyAA-BrzuPyAA-MeOderpVerhalten wird immer offensichtlicher.(BildS 30)

7.Zeitliche Unterscheidung von Licht(TRPL)

Untersuchung der Trägerdynamik in Perovskitfilmen, insbesondere der Ladungsextraktionsprozesse.PyAA-MeODas erste Intervall in der Differenziellen Lebensdauerkurve der Basisprobe ist am kürzesten, und dieser Abschnitt wird hauptsächlich durch den Ladungsübertragungsprozess dominiert.PyAA-MeOAusgezeichnete Schnittstellenladungsaufnahme.(Bild3c)

9.ZeitauflösungPLSpektrum undPL Karte

Beurteilung der Lichtstabilität der Perovskitfilme. Licht 24 Alle Proben nach einer Stunde.PLDer Start hatte eine ähnliche Rotverschiebung. Das bestätigtSAMDer Einfluss der Funktionsgruppen auf die Phasenstabilität der Breitenspaltfilme ist vernachlässigbar.(BildS 26.27)

10.Maximale Leistungspunktverfolgung(MPPT)Stabilitätstests(MPPT Stabilitätstest)

Bewertung der langfristigen Stabilität des Geräts unter kontinuierlichem Licht.BildS 39 AngebotenMPPTVerfolgung der Kurve. Studienberichte nicht verpackte Geräte in60 °CWeiter 400 StundeMPPTNach dem Test basiertPyAA-MeODas Gerät bleibt mehr als99%die anfängliche Effizienz. In etwa 2500 Stundenlang bei unterschiedlichen beschleunigten Alterungstests bleibt ihre Effizienz noch über96%Dies zeigt eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen äußere Reize.

11.Beschleunigter Alterungstest(Beschleunigte Alterungstests)

Bewertung der langen Lebensdauer des Geräts unter Beschleunigungsbedingungen. Geräte sind ca. 2500 Mehr als eine Stunde bleiben96%die anfängliche Effizienz.

Zusammenfassung der Studie

Präzise RegulierungSAMsStrategie der Energie Die Forschung entwickelte erfolgreich Strategien zur präzisen und systematischen Regulierung der Energiestufen der Monomolekularschicht durch die Verwendung von Funktionsgruppeninduktionseffekten, die eine entscheidende Methode zur Anpassung der Schnittstellen zur Passung zu bestimmten Energiespalten-Perovskiten bieten.

Optimierung der Schnittstellenergie- und Ladungsextraktion Durch Einführung einer starken elektronenfähigen Methoxygruppe (PyAA-MeOErfolgreich optimiert.SAMAusrichtung der Energiestufe der Schnittstelle zwischen Perovskiten mit breitem Spalt, um eine Energieband-Biegung zu schaffen, die die Extraktion von Elektrolochen fördert, wurde experimentell bestätigtPyAA-MeOAusgezeichnete Schnittstellenladungsextraktionsfähigkeit.

EinzelknotenWBGHohe Leistung von Perovskitbatterien Optimiert mit ErfahrungsstufePyAA-MeOAls Elektroloch Auswahl Schicht, erheblich verbessertWBGPerovskit Solarzellen Leistung, Gerät erreicht22.8%Die Effizienz der optischen Umwandlung ist hauptsächlich auf die verbesserte Schnittstellenlöcherextraktion und die verringerte Verlust der nicht-strahlenden Komposite zurückzuführen.

Effektive Reduzierung von nicht-strahlenden Komponenten und Spannungsverlusten Die optimierte Schnittstellenergiestufenausrichtung und die effiziente Löcherextraktion reduzieren effektiv die nicht-strahlende Komposition des Geräts.PLQYundQFLSundEQE_ELDie Tests zeigen,PyAA-MeODas Gerät weist einen nicht-strahlenden Verbundverlust und einen minimalen offenen Spannungsverlust auf.

Hocheffiziente überlagerte Solarzellen Hohe LeistungWBGPerovskitbatterien (mitPyAA-MeOIntegration in den HandelTOPConKristalline Siliziumbatterien, erfolgreich hochleistungsfähiges Perovskit bauen/ TOPConÜberlagerte Solarzellen.1 cm²Aktive Fläche Stacking Einrichtung erreicht31.1%Effizienz (Zertifizierung durch Dritte)30.91%für)TOPConEine der berichteten hohen Effizienz der überlagerten Batterien.

Stabilität des Geräts zeigenPyAA-MeODie Geräte zeigen eine hervorragende Betriebs- und Wärmestabilität. Unverpackte Geräte bleiben bei beschleunigten Alterungstests, einschließlich maximaler Leistungspunktverfolgung, kontinuierlicher Beleuchtung und kontinuierlicher Erwärmung, auch nach langem Betrieb96%-99%die anfängliche Effizienz.

SAMsKleine Auswirkungen auf Perovskitfilm verschiedene FunktionsgruppenSAMsDer Einfluss auf die Kristallisation, die Morphologie, die optischen Eigenschaften und die Lichtstabilität des Perovskitfilms, auf dem er abgelegt wird, ist gering, was eine weitere Bestätigung der Verbesserung der Leistung des Geräts in erster Linie aufSAMVerbesserungen der Schnittstelle mit Perovskit und nicht Veränderungen der Perovskitfilme selbst.

Referenz von nature communications_DOI: 10.1038/s41467-025-59896-8

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