Forschungshintergrund und Herausforderungen

Perovskit-Solarzellen (PSCsObwohl in kleinen Geräten durchbruchsvolle Fortschritte gezeigt wurden, aberGroßflächenmodule (PSMPerformance-Engpässe bleiben ein wichtiges Hindernis für die KommerzialisierungDas grundlegende Problem istSchwierigkeiten bei der Qualitätskontrolle großflächiger Perovskitfilme.

Im Vergleich zu einer kleinen Flächenvorbereitung in einer inerten Laborumgebung,Großflächenfertigung steht vor komplexen kristalldynamischen Kontrollen und anspruchsvollen UmweltherausforderungenDies führt zu erheblichen Effizienzverlusten von der Batterie bis zum Modul. Zu den wichtigsten technischen Schwierigkeiten gehören:

1. Komplexität der ProzesssteuerungDie Lösungsvorbereitung beinhaltet eine präzise Koordination der Vorläuferkonzentration, der Lösungsmitteleigenschaften und der Prozessparameter, die im Zusammenspiel mit ihnen die Bildung einer dichten und gleichmäßigen Folie schwierig machen und die breiten Betriebsfenster für große Flächenprozesse einschränken.

2. Widersprüche bei der Materialstabilität: Obwohl mit Rüstung (FA(oder Cäsium)CsErsatz für flüchtiges Methylamin (MAWärmestabilität verbessern, aberNichtsMAderFACsPerovskit kann schlechte Zwischenphasen erzeugen und das Kristallisationsverhalten schwer kontrolliert werdenund übermäßige Mengen;CsDies führt zu Kornfeinerung und Kristallisierung. Außerdem,FA+Die große Größe der Ionen verursacht leicht schädliche Restspannungen in der Folie.

3. UmweltempfindlichkeitFeuchtigkeit und Sauerstoff in der Luft sind hochreaktiv gegen Halogenblei-Perovskit und können zerstörerische Phasenwechsel und Strukturzusammenbruch auslösen, was die Stabilität des Geräts ernsthaft beeinträchtigt.

4. 研究策略局限Bestehende Komponentenregulation, Additivtechnik und andere Methoden konzentrieren sich auf eine einzige Dimension,Fehlende integrierte Strategie zur gleichzeitigen Lösung von Kristallkontrolle und Umweltstabilitätermöglicht die Vorbereitung von qualitativ hochwertigen FlächenFACsPerovskitfilme sind nach wie vor eine große technische Herausforderung.

Forschungsteam

Diese Studie wurde vonChen Wei-Team der Chinesischen WissenschaftsuniversitätVeröffentlicht in akademischen Zeitschriften„Fortgeschrittene Energiematerialien».Forschungsteam schlägt Einführung zweifanktioneller Additive vor——Acetamid (Mercaptoacetamid, MAADie innovative StrategieEs zielt darauf ab, die doppelte Herausforderung der Perovskitfilmqualitätskontrolle und der Umweltstabilität in der Massenfertigung gleichzeitig zu lösen.

MAAKernwirkungsmechanismus von AdditivenInklusive:

• Regulierung der KristalldynamikVerzögerung der Kristallisationsgeschwindigkeit, Erweiterung des Prozessfensters, Förderung der Bildung großer Korne und Verbesserung der Kristallisierung

• Passivierung von Mängeln und Qualitätssteigerung: effektive Passivierung von Leerplatzfehlern, Verbesserung der Gleichmäßigkeit und Kristallisierung der Folie

• Umweltschutzfunktionen: Mit hoher Reduktionsbeständigkeit schützt Perovskitfilm vor Hydrolyse- und Oxidationsschäden in der Luft

DurchMAAMehrfache Interaktionen mit Perovskit-Komponenten, die Strategie erfolgreich umgesetztSynergische Optimierung der Kristallsteuerung und der Umgebungsstabilitätbietet eine effektive Lösung für die Herstellung von hochwertigen Perovskitfilmen auf großen Flächen.

Experimentelle Methoden und Forschungsprozesse

Abbildung 6a

研究以Dualfunktionelles Additiv Merctylacetamid (MAA）Als Kern wurde eine vollständige technische Route von kleinen Flächengeräten bis hin zu großen Flächenmodulen aufgebaut und die Mechanismen der Analyse der Wirkung in Verbindung mit theoretischen Berechnungen vertieft.

1. Schlüsselmaterialsystem: AnwendungFACsPerovskit-System (FAIundPbI₂undCsBr) kombiniert.C60Elektronische Übertragungsschicht,Poly-4paczSelbstmontage von Einzelmolekularschichten und Einführung von InnovationenMAADoppelfunktionelle Zusatzstoffe.

2. Prozesstechnik：

l Substratbehandlung und Vorbereitung der Funktionsschicht：FTOSubstrat nach Standardreinigung in Reihenfolge abgelegtNiOxElektrolochtransportschicht undSAMSchnittstellenschicht

l Vorbereitung von PerovskitVerschiedene KonzentrationenMAAEinführung von Vorläuferlösungen, AnwendungKlingenbeschichtung AblagerungDurch Vakuumbehandlung und Hitzebehütung bilden qualitativ hochwertige Folien

l Geräte-Integrierung: Reihenfolge vorbereitetPEAIPassivierungsschicht,C₆₀/ BCPElektronische Übertragungsschicht undCuElektroden.Alle Prozesse mit Ausnahme der Metallelektroden erfolgen unter Luft

3. SkalierungsprüfungErfolgreiche Erweiterung des Prozesses auf5 x 5 cmund14 x 14 cmGroßflächiges Substrat, die serielle Vernetzung von Subbatterien durch Laserstreichentechnologie erreicht, Modulgeometriefüllfaktor bis96%.

4. Theorie und Performance-PrüfungDie Theorie der Dichte (DFT(Berechnung erläutert)MAAFehlerunterdrückungsmechanismus und langfristige Stabilitätstests unter photothermischen und feuchten Hitzebedingungen zur vollständigen Verifizierung der Additivwirkung.

Charakterisierungsmethoden und Ergebnisse

Quasi-Fermi-Spaltung(QFLS)

Quasi-Fermi-Spaltung (QFLSEs ist ein wichtiger Indikator für die Messung des offenen Schaltungsspannungspotentials eines Materials und kann gleichzeitig die Quellen der nicht-strahlenden Verbundverluste aufdecken. Diese Studie basiert auf der Quantenproduktivität (PLQY(Messung)Quantitative BewertungMAAPassivierung von Mängeln.

Die Ergebnisse zeigen,durchMAABehandlung Perovskitfilm, dessenPLQYWerte bis zu0.94%deutlich höher als die Kontrollgruppe.0.25%Dies bedeutet eine signifikante Verringerung der nicht-strahlenden Komposite in der Folie, was die Leistung des Geräts, insbesondere die offene Schaltungsspannung (VOC(Erhöhung). gemäßPLQYWertberechnung,ΔQFLSErhöht.34,04 MeVMit dem kompletten GerätVOCDer Anstieg entspricht.

Abbildung 4g. PLQY-Werte der Perovskitfolien ohne oder mit auf Glassubstraten abgeschiedenem MAA.

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J-VKurvenmessung(Strom-Spannungskurve)

J-VKurven zur direkten Messung von Solarzellen und ModulenEffizienz der optischen Umwandlung(PCE)Kurzschlussstromdichte(Jsc)Offene Spannung(Voc)und Füllfaktor(FF).

Ergebnisse:

◦ Kleine Geräte: OptimiertMAABehandlung kleiner Fläche Perovskit Solarzellen (effektive Fläche)0,09 cm²(Realisiert)25,52 % PCEDie spezifischen Parameter sindStückzahl 24,76 mA cm⁻²undVoc 1,203 VundFF 85,68%Im Gegensatz dazu ist das Gerät der KontrollgruppePCEfür23.46%HauptsacheVocundFFerheblicher Rückgang. Außerdem,MAAVerzögerungsindex (H-Index(für0.63%deutlich besser als die Kontrollgruppe.2.17%

◦ Mittelgroße Module: Erweitern Sie den Prozess auf11,09 cm²das Modul,MAADas verarbeitete Modul wurde im Umkehrscannen implementiert 22.87%derPCE(Stabil)PCEfür22.48%deren).Vocfür5,952 VundStückzahl 4,70 mA cm⁻²undFF 81,75%und eine gute Reproduzierbarkeit zeigen. Das ModulH-Indexfür1.48%Die Kontrollgruppe ist2,61 % [S5].

◦ Großflächige Module: auf größeren Flächen)113,00 cm²auf dem Modul,MAAAuch die verarbeiteten Geräte wurden realisiert. 20.18%derPCE.

Abbildung 6b. J–V Kurven der Champion PSCs für die Steuerung und MAA

Abbildung 6c. I-V-Kurven von Champion PSMs ohne oder mit MAA-Modifikation (Öffnungsfläche 11,09 cm2, 5 Subzellen)

Abbildung 6f. I-V-Kurven von Champion PSMs mit MAA-Modifikation (Öffnungsfläche 113,00 cm2, 14 Subzellen)

bei der Effizienzmessung von Solarzellen,EnliTechderSS-X AM1.5GStandardspektraler SonnensimulatorAngebotenStabil und präziseDer AM1.5GLichtquelleSein A+SpektralklasseSicherstellung für neue Arten von Solarzellen (wie Perovskit)/Präzise Charakterisierung von Siliziumbatterien).

Externe Quanteneffizienz(EQE)Spektrum

EQESpektrale Messung verwendetBewertung der Effizienz der Einrichtung, die einlaufende Photonen in Elektronen (Strom) unter unterschiedlichen Wellenlängen umwandeltEs kann verifizieren.J-VDie Messungen ergebenJSCWert und liefert die Reaktionseigenschaften des Geräts in verschiedenen Spektralbereichen.

Die Ergebnisse zeigen, dass das GerätEQESpektralintegral JSCWert für23,73 mA cm⁻²undJ-VDie Messergebnisse sind konsistent.(Abbildung S24)

Quanteneffizienzanalyse von Solarzellen,EnliTechderQE-RQuanteneffizienzmesssystemeEs ist global.1,000MehrereSCIVertrauenswürdige Auswahl der Arbeit. Es bietet EQE/IQE/IPCE/SRTestfähigkeit, vorhanden 300 bis 2500 nmBreiter Wellenlängenbereichundhöher als99.5%Die Wiederholbarkeit.

Andere Merkmale

Analyse der Dünnfilmmorphologie und der Kristallstruktur(SEM, AFM, XRD, GIWAXS) BewertungMAAAuswirkungen auf die Mikrostruktur der Perovskitfilme.MAANach Einführung der Korngröße von199 nmHinzufügen386 nmreduzierte Filmrauheit,(100)Die Prioritätsorientierung der Kristallisierung wird verstärkt und die restliche Dehnungsspannung wird deutlich verringert.(Abbildung 2a-i)

Analyse der Trägerdynamik(PL, TRPL, FLIM) Bewertung der Fehlerpassivationswirkung und der Ladungsübertragungseigenschaften.MAANach der BehandlungPLStärke erheblich erhöht, die Lebensdauer des Trägers von366,9 nsErweitern auf867,1 ns，FLIMVerbesserte Effizienz der Elektronenextraktion der Schnittstelle anzeigen.(Abbildung 4d-f)

Struktur und Oberflächenpotential(UPS, KPFM) AnalyseMAARegulierung der Energieausrichtung.MAADie Verarbeitung macht die Funktion nach oben verschoben, der Leitband-Boden entsprechend nach oben verschoben, der Film ist stärkernTypische Eigenschaften,KPFMDie Oberflächenpotentialverteilung ist gleichmäßiger und fördert die Ladungsübertragung.(Abbildung 4a-c)

Echtzeitüberwachung der Kristalldynamik(In situ optisches Mikroskop,StandortPL) VerfolgenMAAMechanismus zur Regulierung des Kristallisationsprozesses.MAASignifikante Verzögerung der Kristallisationsgeschwindigkeit, erweiterte Prozessfenster, während der AusbrennungPLEine kontinuierliche Steigerung der Festigkeit zeigt eine Verbesserung der Filmqualität.(Abbildung 3a-h)

Prüfung der theoretischen Berechnung(DFT) ErklärenMAADer molekulare Mechanismus der Fehlerunterdrückung. Berechnungsergebnisse anzeigenMAADie Bildung von Leerplatzfehlern nach Adsorption kann verbessert und effektiv unterdrückt werdenVPbundVIundVFAsolche Mängel entstehen.(Abbildung 4h)

Wärmestabilität und Antioxidanz(Lokale WärmeXRD,Massenspektrumanalyse) BewertungMAASchutzwirkung auf die Materialstabilität.MAAWärmeabbautetemperatur von160°CErhöhen auf180°Cmit RestaurierungI2fürIch⁻Fähigkeit, die Vorläufer-Oxidation effektiv zu unterdrücken.(Abbildung 5a-i)

Langfristige Betriebsstabilität(Licht heiß/Nass-Hitze-Test) Überprüfen Sie die Haltbarkeit der Paketeinrichtungen in praktischen Anwendungsumgebungen. unter Hitzebedingungen1120Nach Stunden halten94.5%Effizienz unter feuchten und heißen Bedingungen550Nach Stunden halten95.6%Effizienz.(Abbildung 6g-h)

Schlussfolgerungen

Das Forschungsteam hat es erfolgreich entwickelt.Acetamid (MAADoppelfunktionelle AdditivstrategieDie Herausforderungen der Kristallkontrolle und der Umweltstabilität bei der Herstellung von Perovskit-Solarmodulen wurden systematisch gelöst.

Kerntechnologischer Durchbruch:

1. Optimierung der Kristalldynamik：MAAVerzögerung der Kristallisationsrate und Erweiterung des Prozessfensters, Korngröße von199 nmerheblich erhöht auf386 nm，(100)Die kristalline Prioritätsorientierung wird verstärkt und die Restspannung erheblich verringert.

2. Effiziente MängelpassivationLebensdauer des Trägers von366,9 nsErweitern auf867,1 ns，PLQYvon0.25%Erhöhen auf0.94%，DFTBerechnung bestätigtMAAWirksam die Bildung von Leerplatzmangeln unterdrücken.

3. Regelung und LadungsübertragungFunktion von-4,85 eVAnpassen an4,64 eVFührungsband nach oben bewegen FörderungnTyp Eigenschaften, die Oberflächenpotentialverteilung ist gleichmäßiger, die Schnittstellenelektronen Extraktion Effizienz verbessert.

4. Verbesserte UmweltstabilitätTemperatur der thermischen Zersetzung von160°CErhöhen auf180°Coben,MAADie Reduktionseigenschaften unterdrücken effektiv die Oxidation des Vorläufers und verbessern die Stabilität des Materials.

5. Geräteleistung:

• Kleine FlächePSCErreicht25.52%Hohe Effizienz

• 11,09 cm²Minimodul-Implementierung22,87 % PCE(Stabile Effizienz)22.48%）

• 113,00 cm²Großflächige Module erreichen20,18 % PCE

Ausgezeichnete Langzeitstabilität: Licht- und Wärmebedingungen1120Nach Stunden halten94.5%EffizienzNasse und heiße Bedingungen550Nach Stunden halten95.6%Effizienz

Dokumentation von Advanced Energy Materials_DOI: 10.1002/aenm.202502193

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