Forschungshintergrund und Herausforderungen

•Kern der Herausforderungen für leistungsstarke Perovskit-Solarzellen: Obwohl Perovskit aufgrund seiner photoelektrischen Eigenschaften die Leistung der Solarzellen erheblich verbessert hat undPSCsderEnergieumwandlungseffizienz (PCE）Immer näher an die theoretischen Grenzen, aber es gibt immer noch erhebliche Hindernisse für den Optimierungsprozess.

•Eigene Probleme bei kleinen molekularen Elektrolochselektiven:

. Gleichmäßige Ablagerung und molekulare Aggregationsprobleme: Bestehende kleine molekulare Elektrolochselektive Materialien sind insbesondere im Lösungsprozess schwierig zu realisieren.Gleichmäßige Ablagerungund wirksamUnterdrückung der molekularen SammlungZum Beispiel die üblichenDie Me-4PACzMoleküle sammeln sich in der Lösung erheblich und ihre Partikelgröße nimmt mit der Lagerzeit erheblich zu.

. Negative Auswirkungen auf Effizienz, Reproduzierbarkeit und Stabilität: Diese ungleichmäßige Ablagerung und das Problem der molekularen Aggregation auf der BatterieEffizienz, ReproduzierbarkeitundLangfristige Betriebsstabilitäterheblichen Schaden verursachen.

. Industrialisierung und Massenproduktion: Die molekulare Aggregation verkürzt nicht nur die Vorläuferlösung.BetriebslebensdauerAuch ernsthaft behindert.Kontinuierliche Prozesse im industriellen MaßstabDas wirdPSCsDie wichtigsten Herausforderungen der Kommerzialisierung.

•Energieverlust und Mängel:

. Kleinmolekulares Material an der Perovskit-Substrat-SchnittstelleMängelbildungundEffizienz der SchnittstellenladungsübertragungDer Mangel führt zuNicht-Strahlungskompositeund das Gerät beeinflussen.Spannung (VOC）und Gesamtleistung.

. Vorhandene GeräteQuasi-Fermi-Spaltung (QFLSDer Wert kann nicht hoch genug sein undQuanteneffizienz (EL-EQEVerhältnismäßig niedrig, das spiegelt den Energieverlust und die Defektdichte im Inneren des Geräts direkt wider.

Forschungsteam und Schwerpunktergebnisse

Abbildung 3i

Diese Studie wurde vonChemieabteilung der Hongkong City University(Zonglong Zhu)教授、wusste(Xiao Cheng Zeng)教授undInstitut für Chemie und Chemie der Chinesischen Universität für Wissenschaft und Technologie(Zhong’an Li)教授Team, veröffentlicht in führenden internationalen Zeitschriften Naturphotonik.

Zur Lösung von Perovskit-Solarzellen (PSCsDas Problem der ungleichmäßigen molekularen Aggregation und Ablagerung von selektiven Kontaktschichtmaterialien mit mittleren Löchern und die daraus resultierenden Herausforderungen wie die Abnahme der Effizienz, Reproduzierbarkeit und Stabilität hat das Forschungsteam entwickelt und zusammen abgelegt.Neuer Typ.pKleine MoleküleD4PAgleichzeitig mit Perovskitfilm gebildet,D4PADer Schlüssel zum molekularen Design liegt im Inneren seiner Moleküle.C–CZufälligDiese kombinierte Konstruktion ermöglichtD4PAFähigkeit, mit Perovskit und Substraten fest zu bildenMulti-Point Anchor Interaktioneffektiv die Schnittstellenladungsübertragung zu verbessern und die Fehlerbildung innerhalb der Perovskitschicht zu unterdrücken; gleichzeitigC–CDie gekoppelte Einführung von Raumbitverhinderungen machtD4PADarstellen Sie eine verzerrte molekulare Konfiguration, wodurch die Aggregation von Molekülen effektiv unterdrückt wird.

AnwendungD4PADas Gerät wird in kleinen Geräten realisiert. 26.72%Zertifizierte Leistungsumwandlungseffizienz(PCE)und26.14%Zertifizierte maximale Leistungspunktverfolgung(MPPT)Effizienz.

In der effektiven Fläche10,86 cm2 Im Minimodul,PCEErreichen23.37%ZertifizierungMPPTEffizienz erreicht22.66%Das Gerät läuft kontinuierlich am maximalen Leistungspunkt2,500StundeDanach bleibt sieDie anfängliche Effizienz97.2%über.

Experimentelle Verfahren und Schritte

Abbildung 3f

· Erfolgreiche Synthese neuer LochselectiveZunächst erfolgreiche Herstellung des Kernmaterials durch mehrstufige organische Synthese D4PAMoleküle.

· Optimierung der Vorläuferlösungsformulierung für Co-Deposition: zur VerwirklichungD4PAMit der Co-Ablagerung der Perovskitfilm, wird das Forschungsteam eine bestimmte Konzentration von D4PA(Kleine Geräte sind0,35 mg/mlDas Mini-Modul ist0,32 mg/mlDirekt in die Perovskit-Vorläuferlösung vermischtBildung enthältD4PAPerovskit Tinte. Dieser Schritt gewährleistetD4PAEs kann sich gleichmäßig verteilen und in die Perovskitschicht integrieren.

· Hochleistungsfähige Vorbereitung kleiner FlächenReinigung und VorbehandlungITONach dem Glas wird es enthaltenD4PAPerovskit-VorläuferlösungRotationsbeschichtung inITOAuf dem SubstratDurch die Kontrolle der Drehgeschwindigkeit und der Antilösungsmitteltropfzeit bildet sich eine gleichmäßige Perovskitfilm, die anschließend durch eine thermische Ausbrennbehandlung durchgeführt wird. Anschließend verdampft man die Elektronenübertragungsschicht(C60, BCP)und Silberelektroden, und mit Metallschirm definiert0,0412 cm2Gerätefläche.

· Skalierbare Modulprozessvalidierung: zur VerifizierungD4PADas Anwendungspotenzial in großen Flächenprozessen hat das Forscherteam die Formulierung von Perovskit-Vorläufern angepasst und für die Massenproduktion besser geeignet.Kratzenmethode(Klingenbeschichtung)wird enthaltenD4PADie Lösung wird beschichtetITOAuf GlasplattenNach der Beschichtung wird das Wärme ausgebrannt und die nachfolgende Elektrodenschicht ebenfalls verdampft. Zur Bildung des Moduls wurden auch zwei Lasergravuren durchgeführt, um die Einheit zu definieren.

· Umfassende Bewertung der Langzeitstabilität und LeistungFertiggestellte kleine Bauteile und Minimodul in einer Stickstoffatmosphäre-Handschuhkasse unter analogem SonnenlichtGeschehen.J-VKurven,EQEundMPPTLeistungstestsDarüber hinaus wurden Tausende von Stunden für verpackte Geräte durchgeführt. MPPTTest der kontinuierlichen Betriebsstabilitätzur Bewertung der langfristigen Betriebssicherheit.

Charakterisierungsmethoden und Ergebnisse

Quasi-Fermi-SpaltungQFLS

Quantifizieren Sie nicht-strahlende Verbundverluste in Perovskitfilmen und reflektieren Sie direkt die maximale offene Schaltungsspannung, die im Inneren des Geräts erreicht werden kann(VOC).QFLSDer Wert basiertQuantenproduktivität(PLQY) Sättigungsstromdichte mit dunkler Strahlung(J0,rad)Berechnen.

D4PABasisgeräteQFLSWert immer höher alsDie Me-4PACzBasisgeräte, das bestätigt sich weiter.D4PAwirksamMängel unterdrückenundVerbesserung der nicht-strahlenden ZusammensetzungIn.100 mW cm^-2 Licht, GeräteVOCundQFLSDer Unterschied zwischen den beiden ist nahezu vernachlässigbar, was darauf hindeutet, dass der Schnittstellenspannungsverlust extrem niedrig ist.

Abbildung 4e:Zeigt.Die Me-4PACzundD4PAPerovskitfilm bei unterschiedlicher LichtintensitätQFLSKurven.

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Strom-SpannungsmerkmaleJ-VKurven

Bewertung der gesamten optischen Umwandlungsleistung der Solarzellen. verwendenLichttechnologieEnlitechXenonlampe SonnensimulatorSS-F5Jetzt.SS-X)Kalibrierte Lichtintensität100 mW cm^-2und durchKeithley 2400QuellentabelleRichtung (-0,1 Vbis1,35 V(und Umkehrscannen)1,35 Vbis-0,1 V(Messung). Für Mini-Module ist der Scanbereich-0,1 Vbis6,2 V.

l Leistung kleiner Geräte deutlich verbessert：D4PAder BasisPSCsEs ist erreicht.26.83%derEffizientRate (zertifiziert als26.72%）Das ist deutlich besser alsDie Me-4PACzReferenzgeräte24.97%Das BesteD4PAGeräteOffene Spannung(VOC)Erreichen1.200 V(Zertifizierungswert)1,197 V）Kurzschlussstromdichte(JSC)für26,11 mA cm^-2(Zertifizierungswert)26,21 mA cm^-2）Füllfaktor(FF)für85.63%(Zertifizierungswert)85.17%).

l Leistungsprüfung auf ModulebeneIn der wirksamen Fläche10,86 cm2Auf dem Perovskit Mini-Modul, realisiert PCE 23,37%und zertifiziertMPPTEffizienz22.66%Verifiziert.D4PAPotenzial in skalierbaren Prozessen.

Abbildung 3a:Präsentiert die VerwendungDie Me-4PACzundD4PAalsHSCDie beste Leistung der GeräteJ-VKurven.

Abbildung 3b:anzeigenD4PAZertifizierung von BasisgerätenJ-VKurven.

Abbildung 3g:Zeigt.D4PADie Basis des Mini-ModulsJ-VKurven.

Externe QuanteneffizienzEQE

Messung der Effizienz der Solarzellen, die einlaufende Photonen bei verschiedenen Wellenlängen in Elektronenstrom umwandeln, und kann zur Berechnung der Kurzschlussstromdichte des Geräts verwendet werden(JSC)AußerdemHohe EmpfindlichkeitEQE Messung der gesättigten Stromdichte mit dunkler Strahlung, die zur Bewertung von Geräten verwendet werden kann(J0,rad)VerwendungLichttechnologieEnlitechderQE-R EQESystemExterne Quanteneffizienzmessungen durchführen.Hohe EmpfindlichkeitEQE dann verwendenLichttechnologieEnlitechderPECT-600System(jetztFTPS)Der Strom wird durch einen verriegelten Verstärker verstärkt und verändert.

D4PABasis undDie Me-4PACzBasisgeräteEQEDas Spektrum zeigt eine ähnliche Integrationsstromdichte. Hohe EmpfindlichkeitEQEMessungen zeigen,D4PAGeräte J0, Radfür5.41 × 10^-21mA cm^-2deutlich niedriger alsDie Me-4PACzGeräte9.87 × 10^-21mA cm^-2Das zeigt,D4PAEffektiv reduziert die nicht-strahlende Komposition des Geräts.

Abbildung 3e:Präsentiert.Die Me-4PACzundD4PAGeräteEQESpektrum.

Abbildung 53:Zeigt.Die Me-4PACzundD4PAKiPSCsHohe EmpfindlichkeitEQEKurven.

Elektroluminescente QuanteneffizienzEL-EQE

Direkte Quantisierung des Energieverlusts des Geräts im elektroluminescenten Modus, hoheEL-EQEDer Wert zeigt einen niedrigeren Verlust der nicht-strahlenden Komponente des Geräts. DurchLichttechnologieEnlitechderELCT-3010Geräte(jetztREPS)Außenspannung anwenden/Stromquelle zur Messung.

D4PAKiPSCsderEL-EQEbis 15.25%weit höher alsDie Me-4PACzder6.23%Das hat sich bewiesen.D4PAEs reduziert effektiv den Energieverlust des Geräts.

Abbildung 4f:Vergleichen.Die Me-4PACzundD4PAKiPSCsIm LichtdiodenmodusEL-EQESpektrum.

Maximale LeistungspunktverfolgungMPPTStabilitätstests

Beurteilung der Verpackungseinrichtung in der kontinuierlichen Simulation von Sonnenlicht (1 Langfristige Betriebsstabilität bei maximaler Leistung. Nach der VerpackungPSCsIn der Luft, bei Raumtemperatur,1Sonne gleichwertigLEDsBetrieb unter Licht. verwendenMultipotentialdifferenzmesserVerfolgen Sie die Ausgabe der maximalen Leistungspunkte und folgen SieISOS-L-1Vereinbarung.

D4PABasisgeräte zeigen Betriebsstabilität und laufen kontinuierlich am maximalen Leistungspunkt 2,500Nach einer Stunde bleibt die ursprüngliche Effizienz erhalten.97.2%überViel besser als die Kontrollgeräte (2,500Nur nach einer Stunde.82.7%).

Abbildung 3i:Anzeige der kontinuierlichen Verpackung des Geräts bei maximaler LeistungAM 1,5 GSimulation der Normalisierung des SonnenlichtsPCEEvolution.

Andere Merkmale

Theoretische Berechnung der DichteDFTBerechnen) Berechnen der PrognoseD4PAMolekuläre Konstruktion und Grenzflächenbindungsverhalten, die Ergebnisse zeigenD4PANiedrige Intermolekularbindung durch Doppelstellverankerung(-1,5 eV gegen Me-4PACz)der-2,356 eV)effektiv die Molekülansammlung unterdrückt.(Abbildung 2g)

XStrahlenfotoelektronenspektrum(XPS) Analyse der Oberflächenchemie des Materials,D4PAIn der FoliePbEine deutliche Verschiebung der Charakteristikspitzen bestätigt eine stärkere Schnittstellenwechselwirkung mit der Perovskitschicht.(Abbildung 2a)

Fourier-Transformation des Infrarot-Spektrums(FTIR) Verfolgt molekulare Schwingungsmuster mit Temperaturänderungen,D4PAderP = ODie Schwingungsspitzen verschieben sich bei niedrigen Temperaturen und bleiben stabil, was darauf hindeutet, dass sich eine starke Bindung frühzeitig bildet.(Abbildung 2c)

Kelvin-Sondekraftmikroskop(KPFM) Messung der Oberflächenpotentialverteilung,D4PADie Folie behält nach der Erwärmung ein gleichmäßig stabiles Oberflächenpotential, was bestätigt, dassITOVerbesserte thermische Stabilität.(Abbildung 15)

Zweites Ionenmassenspektrum der Flugzeit(TOF-SIMS) Analyse der Tiefenverteilung der Elemente,P+SignalanzeigeD4PAGleichmäßig über die gesamte Perovskitschicht verteilt, anstatt sich an der Grenzfläche zu konzentrieren.(Abbildung 1b)

Dynamische Lichtstreuung(DLS) Überwachung des Verhaltens der Molekülen in der Lösung,D4PAin12Die Partikelgröße nach einer Stunde62 nmHinzufügen102 nmdeutlich niedriger alsDie Me-4PACzder211 nmHinzufügenvon 405 nm.(Abbildung 2i)

BreitwinkelXStrahlenverstreuung undXStrahlendiffraktion(GIWAXS/XRD) Charakterisierung der dünnfilmigen Kristallstruktur,D4PAAuf niedrigemQDie Streuungstärke der Wertzone wurde deutlich abgeschwächt und bildete eine hoch unordnete nichtkristalline Struktur.(Abbildung 24)

Polarisationsbezogenes Raman-Spektrum Erkennung der Orientierung der molekularen Anordnung, weitere BestätigungD4PADie einzigartige Struktur hemmt den geordneten Stapel von Molekülen.(Abbildung 27)

Luminescenz-Karte und Zeitunterscheidung Luminescenz(PL)KarteTRPL) Bewertung der Effizienz der Ladungspumpe,D4PADünnfilm mit gleichmäßiger niedriger FestigkeitPLDie Verteilung und die deutlich verkürzte Lebensdauer des Trägers deuten darauf hin, dass die Effizienz der Löcherpumpung verbessert wird.(Abbildung 4a-c)

Falldichtenanalyse(tDOS)Analyse) Quantifizierung der Fallendichte,D4PABasisgeräte im Bereich der tiefen Fallen(0,4-0,5 V)Niedriger anzeigentDOSEs beweist eine effektive Passivierung tiefer Mängel.(Abbildung 4d)

Schlussfolgerungen

Forschung durch EinführungNeuer Typ.pKleine MoleküleD4PAin Perovskit Solarzellen (PSCsbahnbrechende Forschungsergebnisse erzielt haben, die ihreEffizienz, Stabilität und Prozessmachbarkeit.

· Einzigartiges molekulares Design und Wirkmechanismus：

oder D4PAEine Art.BipolymerepKleine MoleküleSein分子内C-CVerknüpftIn zwei Bibenzen[c,g]Carbazol (DBCZwischen den Einheiten wurden leistungsstarkeRaumblockade.

oder Diese Struktur machtD4PABesitzenStarre Konstruktionund durchMolekuläre Wasserstoffbindungenweitere Stabilität.

oder D4PAkönnen undITOBasis- und PerovskitbildungLeistungsstarke mehrpunktige AnkerungBesonders...Doppelterminals (2T(Ankerkonfiguration).

· Effektive Unterdrückung der Molekularsammlung：

oder D4PANiedrige Bindungskraft (ca.***-1,495 eV**bestätigt seine starke RaumbitwiderstandWirksame Unterdrückung der intermolekularen Aggregation.

oder DLSundGIWAXSundXRDDie Analyse zeigt,D4PADargestellt in der VorläuferlösungNiedriger Aggregationstrendund bildenSehr ungeordnete nichtkristalline StrukturEs unterdrückt effektiv den geordneten Stapel und die Kristallisation von Molekülen.

oder Das ist sicher.D4PAIn Perovskit-TinteGleichmäßig verteiltund verlängert die Vorläuferlösung.Betriebslebensdauer.

· Verbesserte Schnittstelleninteraktionen und Passivierung von Fehlern：

oder XPSundFTIRAnalyse anzeigenD4PAZwischen der Perovskit-SchichtStärkere Schnittstelleninteraktionenund im frühen Stadium des Kornwachstums entstehen.Starke Bindung.

oder D4PAder2TAnkerkonstruktionsfähigkeitEffektive Passivierung tiefer Mängel der Perovskit-Oberfläche(z.B. Jodläufe, Jodläufe und Jod)/Blei-Rückstellung) erheblich verringert die Fallen-Zustand-Dichte.

oder PLBild undTRPLDie Daten zeigen,D4PADünnfilmErhöhte und gleichmäßigere Effizienz im Löcherpumpen.

oder D4PABasisgeräteQuasi-Fermi-Energiespaltung (QFLSDer Wert ist immer höherWeitere Fehlerunterdrückung und Verbesserungen der nicht-strahlenden Zusammensetzung wurden bestätigt.

· Geräteleistung：

oder basierendD4PAPerovskit-Solarzellen wurden realisiertbis26.83%derEffizientRate（Zertifizierte Effizienz26.72%deutlich über die Kontrollgeräte hinaus.

oder Offene Schaltungsspannung für die besten Geräte (VOC(Erreicht1.200 VKurzschlussstromdichte (JSC(für26,11 mA cm^-2Füllfaktor (FF(für85.63%.

oder Zertifizierte maximale Leistungspunktverfolgung (MPPT(Effizienz erreicht)26.14%.

· Ausgezeichnete langfristige Stabilität：

oder Nach der VerpackungD4PABasisgeräte zeigen Betriebsstabilität bei maximalen Leistungspunkten (MPP(Kontinuierlicher Betrieb)2,500nach einer Stunde noch mehr97.2%Die anfängliche Effizienz.

oder D4PAFilm undITOVerbesserte thermische Stabilität.

oder D4PAPerovskit Tinte hat eine längere Lagerfrist,12nach einer Stunde Lagerung,D4PADurchschnittliche Effizienz der Geräte nur geringfügig0.32%und Referenztinte Geräte sank1.81%.

· Machbarkeit von Großprozessen：

oder Diese Studie wird durchKratzenmethodeErfolgreich eine effektive Fläche für10,86 cm2Minimodul für PerovskitSeinEffizienz erreicht23.37%（ZertifizierungMPPTEffizienz für22.66%).

Dieses Ergebnis zeigtD4PAinVereinfachung der kontinuierlichen KommerzialisierungsprozesseGroßes Potenzial für hocheffiziente, skalierbare Perovskit-Solarzellen.

Referenz von nature photonics_DOI: 10.1038/s41566-025-01725-x

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