Konstruktive molekylære konfigurationer til overfladedefekt passivering af perovskit fotovoltaik

Materialeforskere sigter mod at muliggøre overfladefælde-medieret ikke-strålende ladningskombination til at konstruere meget effektiv metalhalogenid-perovskitfotovoltaik (solceller). Da rekombination af uproduktiv ladning ved overfladefejl kan begrænse effektiviteten af ​​hybride perovskitsolceller, forskere kan passivisere fejlene (fremkalde en syrebaseret kemisk behandling) ved hjælp af lille molekylær binding. Perovskitgitterets ioniske karakter kan tillade molekylær defektpassivering gennem interaktioner mellem funktionelle grupper og overfladedefekter. Imidlertid, der eksisterer en mangel på dybdegående forståelse af, hvordan molekylære konfigurationer kan påvirke passiveringseffektivitet for at lette rationelt molekylært design.

I en ny rapport om Videnskab , Rui Wang og et tværfagligt forskerhold i afdelingerne for fysik, Materialevidenskab og teknik, Nanoengineering, Chemistry &Biochemistry og Institute of Functional Nano &Soft Materials i USA og Kina, undersøgte det kemiske miljø i en funktionel gruppe aktiveret til defektpassivering. De udførte eksperimenter for at opnå forbedrede effektomdannelseseffektiviteter for perovskite solceller ved hjælp af theophyllin, koffein og theobrominforbindelser, der bærer carbonyl (C =O) og aminogrupper (N-H). I teofyllinbehandlede eksperimenter, hydrogenbinding af aminohydrogenet til overfladeiodid optimerede carbonylinteraktionen med en bly (Pb) antisitdefekt for at forbedre effektiviteten af ​​en perovskitcelle fra 21 til 22,6 procent.

Materialeforskere implementerer defektpassivering som en vigtig strategi for at reducere uproduktiv ladningsrekombination og øge effektomdannelseseffektiviteten (PCE) af polykrystallinsk metalhalogenidperovskit tyndfilm fotovoltaik til solceller. Baseret på Lewis syre-base kemi, perovskitgitterets ioniske karakter kan lette molekylær passivering gennem koordinatbinding. Baseret på molekylære designregler, forskere kan vælge molekyler med optimale bindingskonfigurationer til sådanne overfladedefektpassiveringsaktiviteter. I dette arbejde, Wang et al. demonstreret høj effektivitet for perovskit (PV) -enheder via defektidentifikation og udført rationelt design og omfattende undersøgelser af det kemiske miljø omkring den aktive funktionelle gruppe for defektpassivering. I højkvalitets perovskit polykrystallinske tynde film med enlags korn, de indvendige fejl var ubetydelige sammenlignet med overfladefejl.

Forskergruppen brugte beregninger af densitetsfunktionsteori (DFT) til at sammenligne formationsenergier for udvalgte native defekter på perovskitoverfladen. Da perovskiternes båndkanter er sammensat af bly (Pb) og jod (I) orbitaler, Wang et al. specifikt undersøgt Pb- og I-involverende punktdefekter, Pb ledig stilling (V _Pb ), Jeg er ledig (V _jeg ) og Pb-I antisitefejl. Brug af røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS), forskergruppen bekræftede, at overfladen af ​​asofabrikeret perovskit tyndfilm skulle syntetiseres i en totrinsmetode til at være Pb-rig. Derefter ved hjælp af toplagsvisning af atomstrukturer, de studerede overfladefejl, efterfulgt af dispersionskorrektion 3 (DFT-D3) metode til beregning af defektdannelsesenergier (DFE). Baseret på resultaterne, forskergruppen fokuserede på interaktionen mellem overfladen Pb og antisite -defekt for at overveje kandidatmolekyler til defektpassivering. For det, de valgte et lille sæt molekyler, der delte identiske funktionelle grupper, skønt med strategisk varierende kemiske strukturer til at omfatte theophyllin, koffein og theobromin, at interagere med fejlene.

Disse molekyler findes typisk i naturlige produkter såsom te, kaffe og chokolade, og er derfor let tilgængelige. Molekylerne var også ikke -flygtige i naturen, gør dem egnede til interaktioner med defekter i perovskit for langsigtet enhedsstabilitet. Wang et al. inkorporerede theophyllin på overfladen af ​​en perovskit tynd film via en efterbehandlingsteknik for at forbedre PCE (effektomdannelseseffektivitet) fra 21 procent til 23 procent i PV-enhederne. De testede strømtæthedsspændingskurverne for PV-enhederne med og uden theophyllinbehandling og krediterede forbedret åben kredsløbsspænding (V _OC ) til overfladepassivering af theophyllin på grund af Lewis-base-syre-interaktioner mellem C =O-gruppen på theophyllin og de antisite Pb-overfladedefekter. De sammenlignede derefter resultaterne af en theophyllinbehandlet enhed med en koffeinbehandlet perovskit PV-enhed.

Efterfølgende, Wang et al. placeret N-H-gruppen ved siden af ​​C =O (carbonyl) -gruppen på den samme seksledede ring i theobromin for at producere en kortere afstand mellem de to grupper, efterfulgt af deaktivering af rumligt effektive interaktioner for at danne en endnu svagere interaktionsenergi (E _int ) på -1,1 eV. Resultaterne understregede betydningen af ​​konstruktiv konfiguration af N-H og C =O grupper for at tillade kooperative multisite-interaktioner og tillade synergistisk passiveringseffekt at danne effektive og stabile perovskitter. Wang et al. studerede variationen i C =O og PbI ₂ -termineret perovskitoverfladeinteraktion med forskellige konfigurationer ved hjælp af Fourier-transform infrarød (FTIR) spektroskopi. De undersøgte overfladepassiveringseffekter af de tre molekyler ved hjælp af forskellige konfigurationer med fotoluminescens (PL) og observerede PL -intensiteten til at stige mærkbart efter theophyllinbehandling. De observerede også øget PL -intensitet efter koffeinbehandling, som ikke var så stærk som theophyllin og nedsat PL -intensitet for theobromin sammenlignet med referencematerialet; de krediterede dette for den destruktive molekylære konfiguration af passiveringsmidler for at producere øgede rekombinationssteder for ladning.

Forskerne udledte derefter fældetætheden af ​​tilstande (tDOS), dvs. antallet af stater besat i systemet, inden for fabrikaterede enheder via vinkelfrekvensafhængig kapacitans som en funktion af den defekte energi. Resultaterne viste en reduktion i fældetilstande for theophyllin og koffeinbehandlede perovskit-enheder sammenlignet med referencematerialet. I modsætning, teobrominbehandling fremkaldte flere fældetilstande, i overensstemmelse med det observerede fald i PCE. Wang et al. bekræftede ændringen i tDOS med forskellige overfladebehandlinger ved hjælp af teoretisk modellering og udført elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS) karakterisering for at forstå transportørprocesser under belysning ved grænsefladen.

Enheden med theophyllin overfladebehandling havde den mindste impedans; betegner en i det væsentlige undertrykt ladningsrekombination ved grænsefladen, stammer fra reducerede overfladefejlstilstande. De koffeinbehandlede enheder registrerede en større impedans, mens theobrominbehandlede enheder viste en endnu større impedans. For at forstå perovskit -grænseflade behandlet med theophyllin, forskerne foretog yderligere karakteriseringer ved hjælp af ultraviolet fotoelektronspektroskopi (UPS) til at måle overfladebåndets struktur. Efterfulgt af atomkraftmikroskopi (AFM) kombineret med Kelvin sondekraftmikroskopi (KPFM) for at forstå theophyllins indflydelse på overflademorfologi og overfladepotentiale. De teophyllinbehandlede overflader udviste et højere elektronisk kemisk potentiale sammenlignet med referencefilmen, samtidig med at den uforandrede overflademorfologi bibeholdtes.

Perovskitfilmen viste en lidt lang levetid for bæreren efter theophyllinbehandling, mens den observerede en hurtigere henfaldsprofil ved tilføjelse af et hultransporterende lag oven på filmen for at reducere rekombination og øge absorptionsegenskaberne. Den forbedrede bærerdynamik stammer fra effektiv overfladepassivering med theophyllin. Da Wang et al. yderligere karakteriseret overfladen ved hjælp af tværsnits-elektronstråleinducerede strøm (EBIC) målinger; theophyllinbehandlede anordninger udviste højere EBIC -strøm sammenlignet med referenceindretningen for at angive forbedret bæreropsamlingseffektivitet.

Theophyllinbehandling tillod også et minimalt henfald i perovskitlagene for at resultere i færre overfladerekombinationssteder og viste ubetydelig hysterese (mikroskopiske overfladefejl). Den forbedrede hylde-stabilitet af theophyllinbehandlede enheder kunne opretholde> 95 procent af sin originale PCE ved opbevaring under omgivende fugtighedsforhold i 60 dage. På denne måde, Rui Wang og kolleger opnåede stabil strømkonverteringseffektivitet for PV-enheder efter at have inkorporeret theophyllin for langsigtet driftsstabilitet.

© 2020 Science X Network