خلفية البحث و التحدي

بيروفسكيت-الخلايا الشمسية العضوية المتداخلة )POTSCsمن الناحية النظرية ، فإنه يمكن كسر من خلال واجهة واحدة البطارية .شوكلي كويسرحدود المحتملة . بالمقارنة مع غيرها من تقنيات التراص ،POTSCsفائدة نموذج يحتوي على مزايا أن الأشعة فوق البنفسجية تصفية خصائص طبقة من الكالسيوم والتيتانيوم يمكن تحسين الاستقرار التشغيلي ، كامل هيكل الفيلم يمكن أن تدعم عملية اللف اللف عالية الغلة ، ويمكن معالجتها على قاعدة مرنة لوحة في البيئة التقليدية ، نماذج المنفعة هي مناسبة خاصة بالنسبة لبناء التكامل ، والتكامل المركبات ، والمنتجات الالكترونية المحمولة ، الخ .

ومع ذلك ،POTSCsتواجه التنمية اختناقات تقنية رئيسية :الكفاءة المعتمدة حاليا )1 ف - 4لا يزال أقل من كامل بيروفسكيت تتالي البطارية )1 ف - 4بيروفسكيت- CIGSسلسلة بطاريات مكدسة )1 ف - 4والمشكلة الأساسية التي تسبب هذا التفاوت في الكفاءةبالقرب من الأشعة تحت الحمراء photocurrent كفاية تضييق الفجوة العضوية أسفل البطارية، وتشمل الأسباب الرئيسية :

1. نقص المواد المناسبةعدم وجود كفاءة عالية تضييق الفجوة غير الفوليرينات المستقبلات )مؤسسات NFAs. لا القائمةY6فجوة المستقبلات الضوئية )~ 1.33 eVفجوة الطاقة المثالية في تكوينات تتالي )~ 1.00 eVلا يزال suboptimization . . . . . . .

2. الطاقة من أجل مطابقة المشكلة: انخفاض التقليديةNFAاستراتيجيات فجوة الطاقة ( على سبيل المثال ، تمديد طول المتقارن ، وتعزيز نقل الشحنة داخل الجزيء ) غالبا ما تؤدي إلىهومووعلاوة على ذلك ، يمكن أن تؤثر على كفاءة exciton تفكك وتقييد أداء الدائرة المفتوحة الجهد وملء عامل .

فريق البحث و النتائج الأساسية

دراسةهو يي ، قسم الكيمياء الحيوية والهندسة الجزيئية ، جامعة سنغافورة الوطنية ومعهد سنغافورة للطاقة الشمسية(يي هو)教授القيادة ، نتائج البحوث المنشورة في المجلات الرائدةالطبيعةو

فريق البحثPOTSCsالاختناقات الأساسية للكفاءة واقتراح اثنين من الاستراتيجيات المبتكرة الرئيسية :

الاستراتيجية الأولى : تحسين أداء الخلايا العضوية ذات فجوة الحزمة الضيقة فريق تصميم وتجميع رواية غير مستقبلات الفوليريناتP2EH-1Vالمتقارن من جانب واحدπاستراتيجية الحد من الفجوة الضوئية جسر1.27 إيفولتوفي الوقت نفسه الحفاظ على مثالية exciton تفكك و التشكل . التحقق من خلال الفيمتو عابر طيف الامتصاصPM6إلىP2EH-1Vباستخدام كفاءة الكم electroluminescence القياسات ، nonradiative فقدان الجهد0.26 إيفولتانخفاض كبير في0.20 إيفولتمنتدى

الاستراتيجية الثانية : تحسين واجهة البطارية على فجوة واسعة بيروفسكيت تطوير الذات تجميعها monolayersBr-Ph-4PACzمن خلال تنظيم فعال وظيفة وظيفيةهومومستوى الطاقة ، وتحسين التوافق مع منطقة الطاقة بيروفسكيت ، والحد من فقدان مركب واجهة . مستوى الطاقة المحاذاة تم تقييمها من قبل الأشعة فوق البنفسجية فيز و كلفن يدقق في مجهر القوة ، غير الإشعاع والحد من زيادة الجهد الداخلي تم التحقق منها من قبل الدولة ثابتة الذرات و شبه فيرمي تقسيم الطاقة القياسات .

تحقيق اختراق: الجمع بين استراتيجية الابتكار المذكورة أعلاه ،POTSCsتحقيق الكفاءة1 ف - 4شنغهاي معهد ميكروسيستم وتكنولوجيا المعلومات1 ف - 4، ضرب أكثر من1 سم²منطقة الجهازالرقم القياسي العالميمنتدى

الشكل 4ز

الخطوات التجريبية و إعداد الجهاز

الشكل 4أ

هذا البحث يعتمد أساسا على اثنين من الاستراتيجيات الأساسية ،تصميم وإعدادالمكونات الرئيسية للخلايا الشمسية عالية الأداء ، في نهاية المطافدمجسجل بيروفسكيت-تتالي الخلايا الشمسية العضوية . وفيما يلي الخطوات والعمليات التجريبية الرئيسية :

استراتيجية البحث الأساسيةهذه الدراسة تركز أساسا على اثنين من الاختناقات الأساسية : واحد هو تعزيزتضييق الفجوة العضوية أسفل البطاريةphotocurrent ، والثاني هو حلفجوة واسعة perovskite البطاريةو عامل شغل الخسارة .

المواد المبتكرة وإعداد فجوة ضيقة العضوية أسفل البطارية

• رواية غير مستقبلات الفوليرينات(NFA) P2EH-1Vالتوليف الناجح

• فريق البحثتصميم وتجميع بنجاحنوع جديد منمستقبلات الفوليرينات غير المتماثلةP2EH-1Vمنتدى

• هذه المواد من خلالجانب واحد المتقارنπاستراتيجية الجسرهذا الأسلوب يمكن أن تقلل من فجوة الطاقة الضوئية1.27 إيفولتمنتدى

• تجميع عالية الكفاءة العضوية أسفل البطارية وحدة الجهاز

• مفرق واحد الخلايا الشمسية العضويةITO / MoOx / PM6: NFA / PDINN / Agإعداد الهيكل .

• بينPM6كما المانحةوP2EH-1Vمستقبلاتعلى حد سواء 1-1-2نسبة الخلطمجموع تركيز الكلوروفورم16 ملغ / ملمنتدى

• تدور على الحل المختلطمووكسبعد المعالجة الحرارية ، وأخيرا إيداعPDINNوأغأقطاب الانتهاء من الإعداد .

واجهة الأمثل وإعداد الخلايا على فجوة واسعة بيروفسكيت

• رواية الذاتي تجميعها monomolecular طبقة(سام) Br-Ph-4PACzتطوير

• فريق البحثتطوير وتجميعنوع جديد منالتجميع الذاتي monomolecular طبقةBr-Ph-4PACzمنتدى

• من خلال إدخال الموادbromophenyl المستبدلةتهدف إلى تنظيم العمل بفعاليةهومومن أجل تحسين المواءمة مع بيروفسكيت الفرقة .

• تصنيع عالية الأداء perovskite خلية الجهاز

• تقاطع واحد فجوة واسعة بيروفسكيت الخلايا الشمسيةإيتو/سام/بيروفسكيت/ C60 / BCP / Agإعداد الهيكل .

• أولا سام (Br-Ph-4PACz)حل .تدور على نمطإيتوالزجاج الركازة يسخن .

• في وقت لاحقتكوين محدد بيروفسكيت السلائف الحل(Cs0.25FA0.75 Pb (Br0.4I0.6) 3) تدور علىسامبيروفسكيت الفيلم يتكون من الصلب .

• وأخيرا ، ترسب بالتتابعEDAI2الحلC60وBCPوأغقطب كهربائي لإكمال الجهاز .

كفاءة عالية بيروفسكيت-التكامل العضوي تتالي الخلايا الشمسية

• تحسين هيكل الجهاز و ربط طبقة تصميم تتالي

• بيروفسكيت النهائي-تتالي الخلايا الشمسية العضويةزجاج/إيتو/سام/بيروفسكيت60 / ج / سنوكس / ايتو / موكسالعضوية/ PDINN / Agكامل الجهاز المعمارية .

• طبقة الربط الرئيسيةالجهاز هو ترتيب بين أعلى و أسفل البطارية العضوية بيروفسكيت البطارية .C60ترسب طبقة الذرية(ألد)السنوكسالاخرقإيتوالتبخر الحراريمووكس لضمان كفاءة نقل الشحنة الكهربائية .

• البطاريةسمك طبقة امتصاصبعد التحسين الدقيق290 نانومترالطبقة العضوية110 نانومترلتحقيق التوازن بين الكثافة الحالية بين اثنين من البطاريات .

طريقة التمثيل و النتيجة

شبه فيرمي تقسيم النظام(تقسيم مستوى شبه فيرمي ، QFLS)

تقييمسامفقدان الجهد في واجهة مع بيروفسكيت جنبا إلى جنب مع عدم تثبيط الإشعاعQFLSرفع جهاز الانعكاس المباشرVOCتحسين المحتملة .

التي تم الحصول عليها عن طريق قياس الجهد تعتمد على كثافة الدائرة المفتوحةQFLSتحليل العرض ،Br-Ph-4PACzإن perovskite الفيلم يظهر تأثير كبير على تحسين واجهة .Br-Ph-4PACz/شبه فتح دائرة الجهد بيروفسكيت كومة(iVoc)وصل1.38 فولتأعلى بكثيرمن طراز Me-4PACzبيروفسكيت كومة1.34 فولتتحسين مجموعة تصل إلى40 ميلو فولتهذه النتيجة تؤكدBr-Ph-4PACzمن خلال تنظيم وظيفة عمل bromophenyl المستبدلةسامو بيروفسكيت واجهة ، والحد من فقدان المركبة واجهة .VOCرفع يوفر قوة دافعة مباشرة .

الرسم البيانيثلاثي الأبعادعرض تقاطع واحد فجوة واسعة perovskite الخلايا الشمسية في اثنينسامتحت العلاجVOCخسارة التحليل والمقارنة .Br-Ph-4PACzعرض عينة أعلىQFLSو انخفاض خسارة الجهد واجهة ، مما يدل على bromophenyl functionalization بصريا .سامفي واجهة الأمثل الهندسة .

ضوء آخر نشر العلم والتكنولوجيا يانQFLS-خرائطتحليل المواد المحتملة الحد الأعلى !

إنليتش QFLS-Maperجعل لكمأخذتنافسية1 / 5ميزة التكلفةيمكن الحصول عليهارسم الخرائط QFLSمع .QFLSالتصويرعرض واضح شبه متر مستوى التوزيع المكاني ، حتى أن نوعية المواد في لمحة !

تتبع ديناميات لدينا ، والحصول على أولتكنولوجيا المعلومات !

تيار كهربائي-الجهد الكهربائي(ج-ف)قياس منحنى

تقييم أداء التحويل الكهروضوئية من تقاطع واحد و تتالي الأجهزة مباشرة يعكس تأثير المواد الاصطناعية والابتكار الأمثل جهاز الهندسة .

محاكاة في النيتروجين ملء مربع القفازات1sun AM 1.5Gالإضاءة(100 ميجاواط سم)^-2وجهاز قياس مساحة مختلفة(0.050 سم)²مع .1.019 سم²والأداء .

ل PM6: P2EH-1Vالخلايا الشمسية العضويةتحقيق17.9٪ PCEكسر0.82 فولتفتح دائرة الجهد28.60 ميلا أمبير سم^-2عالية الكثافة الحالية قصيرة1 ف - 4عامل شغل

ل Br-Ph-4PACzبيروفسكيت الخلايا الشمسيةتحقيق20.4٪ PCEتمتلك1.37 فولتالترا عالية الجهد الدائرة المفتوحة1 ف - 4عامل شغل ممتاز

ل بيروفسكيت-تتالي الخلايا الشمسية العضويةتحقيق رقم قياسي26.7٪ PCE (VOC: 2.14 V ، JSC: 15.15 mA سم^-2، FF: 82.4 في المائة)، مساحة كبيرة من الأجهزة(1.019 سم)²ونفس الصيانة26.7٪ PCEمنتدى

شنغهاي معهد ميكروسيستم وتكنولوجيا المعلومات26.4٪ PCEوقد ثبت أن سنتيمتر واحد مفرق بيروفسكيت بيروفسكيت ،- CIGSبيروفسكيت-العضوية سلسلة البطاريةPCEسجلمنتدى

الرسم البياني4 بعرض واحد تقاطع الخلايا العضوية ، perovskite الخلاياجي - فيمقارنة المعلمات البصرية والكهربائية من ثلاثة أنواع من الأجهزة ، ونحن يمكن أن تظهر مزايا واضحة في الجهد الحالي إضافة مطابقة الأمثل .

الرسم البياني4هـعرض الكلاسيكيةسيميتمصدق1 سم²سلسلة البطاريةجي - فيمنحنى المسحPCEكل1 ف - 4أداء واستقرار الجهاز ثبت في التطبيق العملي .

كفاءة الكم الخارجي(الكفاءة الكمية الخارجية، EQE)قياس

استجابة طيفية والتيار مطابقة درجة كل subbatteries تم تقييمها ، والتآزر والتوازن الحالي بين العلوي والسفلي subbatteries تم التحقق منها .

PM6: P2EH-1Vالعضوية أسفل البطاريةبسببP2EH-1Vخصائص امتصاص الاحمرار من المواد ،EQEجزءا لا يتجزأ من الكثافة الحالية27.86 ميلا أمبير سم^-2معجي - فينتائج الاختبار كانت متسقة للغاية .(خطأأقل من 3% )منتدىبيروفسكيت-سلسلة البطارية العضويةأعلى perovskite والعضوية أسفل البطارية .EQEنقاطالشركة المشتركةعلى التوالي15.20 ميلا أمبير سم^-2مع .15.14 ميلا أمبير سم^-2وتظهر النتائج أن كثافة التيار بين اثنين من البطاريات الفرعية يمكن أن تتطابق بشكل جيد و هو المفتاح لتحقيق كفاءة عالية سلسلة البطارية .

الرسم البياني4دبيروفسكيت-perovskite العضوية في سلسلة مكدسة الخلايا العضويةEQEمنحنى التكاملجي إس سيعرض اثنين من البطاريات الفرعيةEQEمنحنى ، مما يدل بوضوح على مساهمتها في امتصاص الضوء مع أطوال موجية مختلفة ، وتحقيق التوازن بين الكثافة الحالية بعد التكامل .

جريدة كفاءة الكم(كفاءة الكم الإضاءة الكهربائية ، EQEEL)قياس

تقييم فقدان الطاقة غير الإشعاعية من الخلايا الشمسية العضوية باستخدام آليات معقدةEnlitech ELCT-3010 (REPS)النظامتطبيق الجهد الخارجي على الجهازوالمصدر الحالي هو قياس .

P2EH-1Vالمواد المبتكرة المستقبلات تظهر تأثير مثبط nonradiative المعقدةP2EHمقارنة الأجهزة المرجعية ،P2EH-1Vمجموع فقدان الطاقة من الجهاز0.05 إيفولت، ويرجع ذلك أساسا إلى انخفاض كبير في فقدان الطاقة غير المشعة ، من0.26 إيفولتتحسن كبير في0.20 إيفولتهذه النتيجة تؤكدP2EH-1Vمن خلال الاستفادة المثلى من تصميم الهيكل الجزيئي ، عيب الكثافة و nonradiation مسار مركب يمكن أن تنخفض بشكل فعال .

الرسم البياني2وعرضPM6: P2EHوPM6: P2EH-1Vمع .PM6: P2EH-2Vفقدان الطاقة من الخلايا الشمسية العضوية تم تحليلها وتلخيصها .(ΔEnon-rad)توزيع العرض المرئيP2EH-1Vمزايا كبيرة في تثبيط الإشعاع غير التركيب .

نوع حساسEQE/تحويل فورييه الطيف الضوئي(حساس EQE / FTPS)

تقييم الآليات المفصلة لفقدان الطاقة في الخلايا الشمسية العضوية ، باستخدامEnlitech PECT-600 (FTPS)النظامتسجيل نوع الحساسةEQE، جنبا إلى جنب مع جريدة(EL)منحنىغاوسيتركيب التحليل .

FTPS-EQEمع .إيلتأكيد دقة تركيب المنحنىP2EH-1Vأداء الجهاز في عدم فقدان الطاقة الإشعاعية قمع . محاذاة منحنى يعكس مباشرة التوازن بين الإشعاع وعدم الإشعاع عملية التركيب .P2EH-1Vمن خلال الاستفادة المثلى من تصميم هيكل الالكترونية ، والمواد المركبة يمكن أن تقلل من فقدان الإشعاع الإشعاع وتعزيز nonradiation . . . . . . .

الرسم البيانيساعتينعرضPM6: P2EH-1Vجهاز خلطFTPS-EQEمنحنى جريدةغاوسيارتفاع الاتساق ودقة المحاذاة بين اثنين من منحنيات التحقق بصريا .P2EH-1Vفعالية في الحد من فقدان الطاقة غير المشعة .

خصائص أخرى

الأشعة فوق البنفسجية-الطيف المرئي(الأشعة فوق البنفسجية فيس)وصف خصائص امتصاص الضوء من المواد ، وتقييم تأثير فجوة الطاقة التنظيم .P2EH-1Vامتصاص واضح الاحمرار80 نانومترفجوة الطاقة الضوئية1.27 إيفولتتوسيع نطاق امتصاص الأشعة تحت الحمراء القريبة .(الرسم البياني1 (ب)

الرعي زاوية السقوطإكستشتت الأشعة السينية(جيواكس)وصف سلوك الكريستال الجزيئية التراص التوجه وتقييم تهمة نقل المسار . الكلNFAجميع الأسطح ذات الأولوية التوجه .PM6: P2EH-1Vيمزج الفيلم يحافظ على أمر جيد التراص .(الرسم البياني1د)

مجهر القوة الذرية(AFM)تقييم مورفولوجيا وخشونة سطح الفيلم يعكس نوعية الفيلم .Br-Ph-4PACzبيروفسكيت الفيلم هو أكثر اتساقا مع خشونة السطح .18.9 نانومترمتفوقةMe-4PACzال22.2 نانومترمنتدى(FigS)( الفقرة 27 )

طيف الأشعة فوق البنفسجية(UPS)تقييم التوافق بين واجهة وظيفة العمل والطاقة من أجل تحسين واجهة تهمة النقل .Br-Ph-4PACzأعمق وظيفة العمل هو الانحياز مع أفضل نطاقات الطاقة ، والحد من فقدان الطاقة واجهة .(الرسم البياني3 ب)

كلفن مجهر القوة(KPFM)كميساموظيفة التحكم ، والتحقق من واجهة الأمثل .KPFMتأكيد الصورةBr-Ph-4PACzيمكن تنظيم أكثر فعاليةإيتوالركيزة وظيفة التوزيع .(FigS)( الفقرة 18 )

طيف الذرات(PL)متحد البؤرPLرسم الخرائطتقييم غير الإشعاع وفقدان التوحيد من الفيلم ، مما يعكس تأثير التخميل من العيوب .Br-Ph-4PACzبيروفسكيت رقيقةPLزيادة كثافة خمس مرات ،بلكيمن .1 ف - 4زيادة كبيرة1.82%منتدى(الرسم البياني3ج)

عابر طيف الامتصاص(TA)تقييم ديناميات تهمة ثقب نقل والتحقق من كفاءة exciton التفكك .575 نانومترمكان المانحةGSBدينامية التحققP2EH-1VنحوPM6كفاءة عالية ثقب نقل .(الرسم البياني2د)

تهمة احتمال تفكك(Pdiss)تحليل .تقييم كفاءة photoexciton تهمة توليد الكم exciton تفكك القدرة .PM6: P2EH-1Vجهازبديسدادا1 ف - 4هذا يدل على احتمال توليد الشحنة الكهربائية .(الرسم البياني2هـ)

مقاومة الطيف(مقاومة)دراسة عن تهمة المقاومة المعقدة وتقييم الناقل نقل الخصائص .نيكويستعرض الرسم البيانيP2EH-1Vالجهاز لديه أعلى مقاومة المركبة وانخفاض تهمة فقدان المركبة .( أ )FigS( الفقرة 14 )

عابر photocurrent(TPC)قياسقياس عمر الناقل تهمة استخراج وتقييم كفاءة جمع تهمة .Br-Ph-4PACzphotocurrent تخفيف عمر الجهاز هو تقصير0.73 ميكرو ثانيةكفاءة استخراج الناقل هو تحسين .(الرسم البياني3و)

قياس زاوية الاتصال：研究سامخصائص ترطيب الفيلم تم تقييمها .Br-Ph-4PACzزاوية الاتصال من الركيزة10.4 °من أجل تحسين التبلل perovskite السلائف رقيقة تغطي .(FigS)( الفقرة 22 )

على المدى الطويل نقطة الطاقة القصوى(MPP)تقييم الاستقرارتقييم الاستقرار على المدى الطويل ، والتحقق من إمكانية التطبيق العملي . مغلفة سلسلة البطارية783تبقى بعد ساعات80%الكفاءةBr-Ph-4PACzجهازT80تمديد550ساعة .(الرسم البياني4 ساعات)

قسم المسح المجهر الالكتروني(سيم)هيكل وسمك كل طبقة من سلسلة الأجهزة البصرية ، والتحقق من دقة التصنيع . عرض واضح بعد التحسين بيروفسكيت(~ 290 نانومتر)العضوية(~ 110 نانومتر)طبقة امتصاص متعدد الطبقات ربط الهيكل .(الرسم البياني٤ )أ(

الاستنتاج

فريق البحث في بيروفسكيت-سلسلة الخلايا الشمسية العضوية حققت اختراقا في مجال تحقيق النجاح من خلال استراتيجية الابتكار المزدوج سجل الكفاءة والاستقرار .

اختراق التكنولوجيا الأساسية

تصميم مواد مبتكرة: تطوير نوع جديد من غير مستقبلات الفوليريناتP2EH-1Vأحادي الاتجاه الاثيلين الرابطة المزدوجةπاستراتيجية الحد من الفجوة الضوئية جسر1.27 إيفولتطيف الامتصاص80 نانومتر، تحقيق جاندام28.60 ميلا أمبير سم^-2قصيرة - دارة الكثافة الحالية . كفاءة البطارية العضوية1 ف - 4، فقدان مركب غير مشع من0.26 إيفولتانخفض0.20 إيفولتاحتمال تفكك الشحنة1 ف - 4منتدى

هندسة واجهة الأمثل: تصميم الرقاقات أحادية الطبقةBr-Ph-4PACzperovskite رقيقة الأفلام يمكن أن تكون مطابقة مع الطاقة الفرقة من خلال تعديل وظيفة عمل bromobenzene المستبدلة .PLزيادة كثافة خمس مرات ،بلكيمن .1 ف - 4زيادة كبيرة1.82%كفاءة البطارية على فجوة واسعة بيروفسكيت1 ف - 4تمتلك1.37 فولتفتح دائرة الجهد العالي1 ف - 4عامل شغل

الأداء

سجل الكفاءةبيروفسكيت-تحقيق العضوية تتالي الخلايا الشمسية26.7٪ PCEشنغهاي معهد ميكروسيستم وتكنولوجيا المعلومات1 ف - 4，جميع سنتيمتر واحد مفرق بيروفسكيت ، بيروفسكيت-سلسلة بيروفسكيت بيروفسكيت- CIGSسلسلة بطارية تسجيلعن 1 سنتيمتر مربع مساحة فعالة جهاز ثابت كفاءة تحويل الطاقة(PCE)يمكن تحقيقه1 ف - 4

الاستقرار ممتازة: تغليف سلسلة من البطاريات في حالة البيئة(25 درجة مئوية، 85٪)الرطوبة النسبيةوسوترا783ساعة .MPPالحفاظ على المسار80%الكفاءة الأولية ، أفضل بكثير من مفرق واحد الخلايا العضوية(T80)فقط180ساعة .ومنتدىBr-Ph-4PACzجهازT80تمديد550ثبت أن الأشعة فوق البنفسجية تصفية تأثير على الاستقرار على المدى الطويل .

إشارة من الطبيعة دوي : 10.1038 / s41586-025-09181-x

هذه المقالة هي عن إنليتش guangyan التكنولوجيا المستخدمة في البحث العلمي تقاسم الأكاديمية إذا كان هناك أي انتهاك ، يرجى الكتابة واسمحوا لنا أن نعرف