Nghiên cứu khó khăn và thách thức

Khoảng cách năng lượng rộng(WBG)Trong các tế bào con, oxit niken hoạt động như một lớp vận chuyển lỗ(NiOx)Với lớp phân tử đơn tự lắp ráp(SAM)Các vấn đề tiếp xúc giao diện giữa các thiết bị hạn chế nghiêm trọng hiệu quả và tính ổn định của thiết bị.

Có những thách thức chính đối với công nghệ hiện tại:

•NiOxVấn đề ăn mòn:Truyền thống được sử dụng rộng rãiSAMVí dụ, chứa axit photphoric(PA)Là một nhóm neo.SAM (PA-SAM), của nóAcid mạnh hơn,Dễ dàng ăn mòn với phản ứng hóa họcNiOxLớp, sẽ gây hại.NiOxTính hoàn chỉnh và chức năng của các lớp, từ đó làm suy yếu tính ổn định của thiết bị.

•SAMPhân tử kết hợp và vấn đề giao diện： Truyền thốngSAMCác phân tử trongNiOxBề mặt dễ xảy raHiện tượng tụ tậpSự hình thành màng không đều sẽ dẫn đếnMất giao diện，Ảnh hưởng đến hiệu quả truyền tải tàu sân bayVà gây ra sự nổi bật.Mở mạch điện áp(VOC)Mất mát.

Nhóm nghiên cứu và thành tựu

Nghiên cứu đột phá này về các tế bào năng lượng mặt trời xếp chồng Perovskite hiệu suất cao, được tạo ra bởiCát Tử Nghĩa và Lưu Sướng, Viện Công nghệ và Kỹ thuật Vật liệu Ninh Ba, Viện Khoa học Trung QuốcLãnh đạo nhóm, được công bố trên các tạp chí khoa học hàng đầu thế giớiTruyền thông thiên nhiên。

Nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc phát triển các axit yếu hơn.Chức năng axit boricSAMKhông chỉỨc chế hiệu quả.NiOxĂn mònNó cũng có thể hình thành một lớp giao diện đồng nhất hơn và liên kết mạnh hơn, cải thiện đáng kể hiệu quả của các tế bào năng lượng mặt trời xếp chồng Perovskite và tăng cường đáng kể sự ổn định hoạt động lâu dài của thiết bị.

Sơ đồS6: Giải quyết vấn đề ban đầu (ăn mòn)

Các thành tựu cốt lõi của nghiên cứu bao gồm:

•giải quyếtNiOxVấn đề ăn mòn:Phát triển thành côngLớp phân tử đơn tự lắp ráp với độ axit yếu(SAM)Giảm đáng kể lượng oxit niken(NiOx)Sự ăn mòn của lớp vận chuyển lỗ, nâng cao sự ổn định của giao diện.

•cải thiệnSAMChất lượng phim:Loại mớiSAMThể hiện lực liên kết giao diện mạnh hơn với đặc tính tạo màng đồng nhất hơn, khắc phục hiệu quả truyền thốngSAMCác phân tử dễ tập trung, các vấn đề không đều,Giảm tổn thất giao diện。

•Tối ưu hóa chất lượng phim perovskite:Giao diện cải tiến thúc đẩy sự phát triển đồng đều hơn của tinh thể perovskite, giảm khuyết tật và ức chế hiệu quả sự tách pha do ánh sáng gây ra, nâng cao chất lượng và sự ổn định của màng.

•Nâng cao đáng kể hiệu quả của thiết bị:Khoảng cách năng lượng rộng nút đơn(WBG)Hiệu suất pin phụ được cung cấp bởi18.9%Nâng lên20.1%; Pin mặt trời xếp chồng Perovskite(TSC)Hiệu quả hơn.28.5%。

•Tăng cường đáng kể sự ổn định hoạt động:Kết quả nghiên cứu cải thiện đáng kể sự ổn định của thiết bị, pin xếp chồng Perovskite đầy đủ trong ánh sáng liên tục 500 hiệu quả ban đầu sau một giờ.90%。

Các bước và quy trình thử nghiệm

Chuẩn bị vật liệu giao diện với phim: Nhóm nghiên cứu chuẩn bị nhiều lớp phân tử đơn tự lắp ráp(SAM)vật liệu, và trongITOTrầm tích theo thứ tự trên kính dẫn điệnNiOxLớp vàSAMHình thành.Điều này/NiOx/SamsCấu trúc màng mỏng. Chuẩn bị truyền thống cùng một lúcSAMvật liệu(nhưMe-4PACz)như một nhóm kiểm soát. Một số mẫu sau khi chuẩn bị được làm sạch bằng lớp phủ xoáy ethanol để loại bỏ các phân tử còn lại.

Sản xuất pin năng lượng mặt trời khe hở rộng: Để chuẩn bịITO / NiOx / SAMMàng như lớp vận chuyển lỗ, lớp phủ xoắn lắng đọng màng perovskite khe hở năng lượng rộng, sau đó lắng đọng lớp vận chuyển điện tử theo thứ tựC60、ALD SnO2)Và điện cực bạc, hoàn thành chế tác pin khe hở năng lượng đơn.

Làm cho các tế bào năng lượng mặt trời xếp chồng Perovskite đầy đủ: Tích hợp các tế bào con khe năng lượng rộng với các tế bào con perovskite khe năng lượng hẹp để xây dựng các tế bào năng lượng mặt trời xếp chồng hoàn toàn perovskite hai đầu. Cấu trúc hoàn chỉnh là:ITO / NiOx / SAMPerovskite khe năng lượng rộng/ C60 / SnO2 / Au / PEDOT: PSS /Perovskite khe năng lượng hẹp/ C60 / BCP / Ag。

Đánh giá hiệu suất pin: Trong điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn(1 mặt trời, 100 mW / cm2)Dưới đây, đo dòng điện cho các nút đơn và pin xếp chồng lên nhau-Đặc tính điện áp, đánh giá hiệu quả chuyển đổi quang điện, điện áp mạch mở, mật độ dòng ngắn mạch và yếu tố làm đầy và các thông số chính khác. Đồng bộ theo vết đầu ra công suất ổn định và đo lường hiệu quả lượng tử ngoài.

Kiểm tra độ ổn định: Kiểm tra theo dõi ánh sáng liên tục điểm công suất tối đa cho pin xếp chồng sau khi đóng gói, liên tục500Giờ để đánh giá tính ổn định vận hành lâu dài. Tiến hành thêm.85℃Kiểm tra lão hóa ánh sáng nhiệt độ cao để xác minh hiệu suất ổn định nhiệt của pin.

Mô tả và kết quả

Phân chia bậc chuẩn fermiergic(QFLS)

Đo điện áp mạch mở lý thuyết tối đa của vật liệu dưới ánh sáng(iVOC)Chỉ tiêu, trực tiếp phản ánh mức độ tổn thất tổng hợp phi bức xạ. Nghiên cứu cho thấy rằng với màng perovskite tinh khiếtQFLSTiếp xúc với truyền thốngSản phẩm Me-4PACzPerovskite của giao diệnQFLSGiảm đáng kể xuống1.296 điện tửChứng minhGiao diện phức tạp nghiêm trọng. Sử dụng kiểu mớiS-BA-SAMSau khi xử lý,QFLSChỉ từ1.326 điện tửGiảm nhẹ đến1.322 điện tử, gần với giá trị phim tinh khiết, chẳng hạn nhưSơ đồ5F. Bằng chứng trực tiếpS-BA-SAMGiảm đáng kểNiOxMất hợp chất không bức xạ của giao diện perovskite。

Công nghệ mới ra mắtMáy lập bản đồ QFLSDự đoán giới hạn hiệu suất vật liệu!

Sử dụng QFLS-MaperVới lợi ích kinh tế.1/5Chi phí đầu tưCó thể thực hiện được.Bản đồchức năngvà tạo raQFLSHình ảnhTrực quan hiện ra toàn cảnh phân bố cấp năng lượng chuẩn, chất lượng vật liệu ưu khuyết lập tức hiện ra!

Theo dõi chúng tôi để có thông tin kỹ thuật trực tiếp!

dòng điện-điện áp(J-V)Tính năng và sản lượng điện ổn định(SPO)kiểm tra

Đo lường hiệu suất chuyển đổi quang điện của pin mặt trời dưới ánh sáng tiêu chuẩn và đánh giá sự ổn định của thiết bị. Thực hiện tiêu chuẩnJ-VKiểm tra cần sử dụng phù hợpHệ thống AM1.5GMô phỏng ánh sáng mặt trời theo tiêu chuẩn quang phổ.EnlitechcủaSS-XLoạt mô phỏng ánh sáng mặt trời được trích dẫn trong nhiều tài liệu cung cấp ánh sáng chính xác và ổn định cao.

Sơ đồ6cCho thấy pin phụ và pin xếp lớp cuối cùng.J-VĐường cong. Thông qua kiểu mớiS-BA-SAMSau khi tối ưu hóa, khoảng cách năng lượng rộng(WBG)Hiệu suất pin phụ từ nhóm kiểm soát18.9%Nâng lên20.1%. Pin xếp chồng Perovskite hoàn chỉnh được lắp ráp cuối cùng đạt được mức cao nhất 28.5% Hiệu suất.

Sơ đồ6DĐường cong đầu ra công suất ổn định cho thấy thiết bị đang liên tục1 mặt trờiTheo dõi ánh sáng 500 Sau một giờ, vẫn có thể duy trì hiệu quả ban đầu.90%Thể hiện tính ổn định lâu dài xuất sắc.

Hiệu suất lượng tử bên ngoài(EQE)

Nhóm nghiên cứu đã sử dụngEnlitechcủaREPSThiết bị đo đạc đã hoạt động.EQEĐo lường, đo lường hiệu quả của thiết bị tạo ra dòng điện dưới các bước sóng ánh sáng khác nhau để phân tích phản ứng của thiết bị với các phổ khác nhau và tính toán mật độ dòng điện ngắn mạch lý thuyết(Công ty TNHH), vớiJ-VKết quả kiểm tra xác nhận lẫn nhau.

Sơ đồ6eCho thấy toàn bộ pin perovskite.EQECác vạch phổ cho thấy các tế bào con khe năng lượng rộng trong vùng bước sóng ngắn (xấp xỉ300-750 nm) và khoảng cách năng lượng hẹp(NBG)Pin phụ ở vùng bước sóng dài (xấp xỉ650-900 nm) Hiệu suất lượng tử hiệu quả. TừEQEPin phụ được tính bằng tích phânCông ty JSCgiá trị(16.0và16,2 mA cm^-2)VớiJ-VKết quả kiểm tra phù hợp và xác nhận tính chính xác của dữ liệu hiệu suất.

Hiệu suất lượng tử phát quang(PLQY)

Phản ánh hiệu quả của hợp chất bức xạ của vật liệu hoặc màng mỏng và có mối tương quan tiêu cực với tổn thất hợp chất không bức xạ.

Sơ đồS54：NiOx / Me-4PACzPerovskite mẫuSản phẩm PLQYthấp hơn đáng kể so với màng perovskite tinh khiết, một lần nữa được xác nhậnGiao diện phức tạp nghiêm trọng. vàNiOx / S-BA-SAMCác mẫu perovskite cho thấy mức độ cao hơnPLQY (0.247%), vớiQFLSKết quả phù hợp,Chứng minh kiểu mớiSAMHiệu quả ức chế sự kết hợp giao diện。

Kính hiển vi lực nguyên tử(KPFM)

Đo lường sự khác biệt tiềm năng bề mặt(CPD)Phân tích sự sắp xếp mức năng lượng, tính đồng nhất và phân bố khiếm khuyết của hàm công vật liệu và giao diện.

Sơ đồ1 giờ：NiOx / SAMBề mặtKPFMHình ảnh vàCPDBiểu đồ phân phối hiển thị,S-BA-SAMXử lýNiOxBề mặtCPDPhân phối hẹp hơn, cho thấySAMCác lớp đều hơn.

Sơ đồ4a-E：Perovskite chôn interfaceKPFMPhân tích cũng cho thấyS-BA-SAMGiao diện xử lýCPDPhân phốicủa FWHMhẹp hơn, và sự thay đổi tiềm năng nhỏ sau khi lão hóa ánh sáng, cho thấy giao diện đồng đều và ổn định hơn.

XPhổ năng lượng quang điện tử(XPS)

Phân tích thành phần nguyên tố bề mặt vật liệu và trạng thái hóa học, đặc biệt để nghiên cứuSAMVớiNiOxSự tương tác giữa vàNiOxSự thay đổi hóa học.

Sơ đồTừ 1g：Ni 2p3 / 2 XPSCác đường phổ biến,S-BA-SAMXử lýNiOxSo sánhSản phẩm Me-4PACzCác đỉnh được xử lý có độ lệch năng lượng liên kết thấp, cho thấyS-BA-SAMVớiNiOxCó sự chuyển điện tích mạnh hơn và tương tác giữa chúng.

Bắn góc lướtXnhiễu tia(GIXRD) /Góc rộngXPhân tán tia(GIWAXS)

Phân tích cấu trúc tinh thể của màng, định hướng hạt và ứng suất.

Sơ đồ3i-k：Sản phẩm GIWAXSSpectrograph cho thấy sự phân chia đỉnh nhiễu xạ do biến dạng mạng trong màng của nhóm đối chứng, trong khiS-BA-SAMMàng mỏng thì không có hiện tượng này, cho thấy ứng suất nhỏ hơn,S-BA-SAMTốt cho sự hình thành màng perovskite tốt hơn(100)Xu hướng, có lợi cho việc truyền tải.

Quang phổ phát xạ plasma kết hợp tự cảm(ICP-OES)

Đo lường nội dung của các nguyên tố kim loại trong dung dịch để đánh giáSAMđúngNiOxMức độ ăn mòn của bộ phim.

Sơ đồS6: sẽĐiều này/Nioxphim ngâm khác nhauSAMSau giải pháp, sử dụngS-BA-SAMHàm lượng niken phát hành từ màng ngâm giải pháp(29 ug / L)Thấp hơn sử dụngSản phẩm Me-4PACzPhim giải pháp(87 ug / L)Trực tiếp xác nhận kiểu mới.S-BA-SAMGiảm đáng kể.NiOxTác dụng ăn mòn của lớp.

Lý thuyết hàm mật độ(DFT)với Molecular Dynamics(MD)mô phỏng

Hiểu biết sâu sắcSAMPhân tử vàNiOxcơ chế hấp phụ giữa các bề mặt, năng lượng liên kết, phân phối điện tích, mức năng lượng vàSAMHành vi phân tử trong quá trình hình thành.

Sơ đồ1a-f：DFTTính toán đượcSAMCác phân tử trongNiOxCấu hình hấp phụ, mật độ điện tích khác biệt và chức năng cục bộ điện tử của bề mặt, bao gồm cả bề mặt trống oxy(ELF)Đồ thị. Kết quả tính toán cho thấyS-BAVớiNiOxCó năng lượng liên kết mạnh hơn giữa các nhóm benzothiophenoids vàNiCó sự tương tác bổ sung giữa chúng. Sơ đồS1644củaMDMô phỏng cho thấySAMSự phân bố của các phân tử trên bề mặtVề mặt lý thuyết, nó hỗ trợ kiểu mới.SAMGiả thuyết giúp hình thành một bộ phim đồng nhất.

Đặc điểm khác

•Kính hiển vi điện tử quét(SEM)： Quan sát bề mặt màng mỏng và hình dạng mặt cắt của thiết bị, đánh giá kích thước hạt, hình dạng, khuyết tật và thay đổi hình dạng sau khi lão hóa.(Biểu đồ6bĐồ thị3e-h）

•Phân phối photoglomatic(PL Bản đồ)： Phim có sẵnPLPhân bố không gian của sức mạnh, hiển thị trực quan tính đồng nhất của bộ phim và các khu vực bị lỗi.(Như hìnhS50）

•Phân tích thời gian Photoluminesis（TRPL）： Đo lường tuổi thọ của tàu sân bay sống, phản ánh tốc độ hợp chất của pha cơ thể hoặc giao diện.S-BA-SAMTuổi thọ tàu sân bay phim được xử lý lâu hơn。(Biểu đồ5J）

•Phổ năng lượng điện tử UV(UPS)： Xác định chức năng công việc và vị trí mức năng lượng của vật liệu giúp xây dựng biểu đồ mức năng lượng và hiểu được sự truyền tải điện tích.(Biểu đồ4F）

•Không gian phí giới hạn hiện tại(SCLC)Phân tích: Đánh giá tỷ lệ di chuyển và mật độ tàu sân bay của lớp vận chuyển lỗ,S-BA-SAMGiảm mật độ lỗ sau khi xử lý.(Biểu đồS39）

•Phổ trở kháng điện hóa(EIS)： Phân tích truyền tải điện tích và trở kháng tổng hợp bên trong thiết bị.S-BA-SAMThiết bị cho thấy trở kháng composite cao hơn.(Biểu đồ5i）

•Đo góc tiếp xúc: Đánh giá perovskite tiền chất trongSAMXử lý độ ẩm của bề mặt, ảnh hưởng đến sự hình thành và tăng trưởng của màng.(Biểu đồS34）

•Địa điểm(tại chỗ) UV-VisPhổ hấp thụ vàPLPhổ: Theo dõi sự hình thành hạt nhân và động lực kết tinh của màng perovskite trong quá trình quay(Biểu đồ2b và c）。

•Thời gian bay Khối phổ ion thứ cấp(TOF-SIMS)： Phân tích sự phân bố sâu của các yếu tố khác nhau trong cấu trúc của thiết bị để nghiên cứu sự di chuyển của các yếu tố trong quá trình lão hóa ánh sáng.(Biểu đồS33）

•Biến đổi Fourier quang phổ hồng ngoại(FTIR)： phân tíchSAMPhân tử và tiền chất perovskiteFAITương tác giữa các phân tử(Như hình2a）。

kết luận

Nhóm nghiên cứu đã phát triển mộtMới axit boric axit yếu chức năng tự lắp ráp lớp phân tử đơn(S-BA-SAM),Được sử dụng cho các tế bào con khe năng lượng rộng trong các tế bào năng lượng mặt trời xếp chồng Perovskite đã được sửa đổiNiOxGiao diện tầng truyền tải điện.

Kết quả nghiên cứu chính như sau:

Cải thiện độ ổn định giao diện：S-BA-SAMVớiNiOxTạo liên kết vững chắc, hiệu quảỨc chếNiOxĂn mòn,Hiệu suất tốt hơn so với cơ sở phosphate truyền thốngSAMVà thúc đẩy......NiOxBề mặtPhim đồng nhấtCải thiện hình thái giao diện và tỷ lệ đóng nắp.

Tối ưu hóa chất lượng phim:Sửa đổi giao diện tối ưu hóa đáng kể quá trình kết tinh màng perovskite, thúc đẩyPhân phối halogen đồng nhấtVàỨc chế tách quang ảnhNâng cao chất lượng màng và tính ổn định của ánh sáng.

Cải thiện truyền tải tàu sân bay:Đặc điểm giao diện được tối ưu hóa để tăng tốc truyền tải tàu sân bay,Giảm tổn thất phức hợp không bức xạKéo dài tuổi thọ của máy bay.

Hiệu suất tăng lên rõ rệt:Sử dụng pin đơn khe năng lượng rộng với lớp giao diện được tối ưu hóa, hiệu quả chuyển đổi quang điện từ18.9%Nâng lên20.1%. Sau khi tích hợp các tế bào năng lượng mặt trời xếp chồng lên nhau nhiều hơn28,5% PCEKỷ lục xuất sắc.。

Ổn định lâu dài:Tiện ích của Wide Energy Gapcủa pincải thiệnLớp phủThiết bị hiển thịỔn định hoạt độngTrong1 mặt trờiTheo dõi điểm công suất tối đa500Một giờ sau,Duy trì hiệu quả ban đầu90%Trên。

Tài liệu tham khảo từ nature communications_DOI: 10.1038/s41467-025-59515-6

Bài viết này đã được viết lại cho Enlitech để chia sẻ khoa học và học thuật nếu có bất kỳ vi phạm nào xin vui lòng gửi thư cho chúng tôi