Matur nuwun sampun ngunjungi Nature.com. Versi browser sing sampeyan gunakake nduweni dhukungan CSS sing winates. Kanggo asil sing paling apik, disaranake nggunakake versi browser sing luwih anyar (utawa mateni mode kompatibilitas ing Internet Explorer). Kangge, kanggo njamin dhukungan sing terus-terusan, kita nampilake situs tanpa gaya utawa JavaScript.
Pasivasi cacat wis digunakake sacara wiyar kanggo ningkatake kinerja sel surya perovskit triiodida timbal, nanging efek saka macem-macem cacat ing stabilitas fase-α isih durung jelas; Ing kene, nggunakake teori fungsional kapadhetan, kita ngenali kanggo pisanan jalur degradasi perovskit triiodida timbal formamidin saka fase-α nganti fase-δ lan nyinaoni efek saka macem-macem cacat ing alangan energi transisi fase. Asil simulasi prédhiksi manawa lowongan yodium paling mungkin nyebabake degradasi amarga nyuda alangan energi kanggo transisi fase α-δ kanthi signifikan lan duwe energi pembentukan paling endhek ing permukaan perovskit. Introduksi lapisan oksalat timbal sing ora larut ing banyu menyang permukaan perovskit kanthi signifikan nyegah dekomposisi fase-α, nyegah migrasi lan penguapan yodium. Kajaba iku, strategi iki kanthi signifikan nyuda rekombinasi nonradiatif antarmuka lan nambah efisiensi sel surya dadi 25,39% (disertifikasi 24,92%). Piranti sing ora dibungkus isih bisa njaga efisiensi asline 92% sawise beroperasi kanthi daya maksimum sajrone 550 jam ing simulasi iradiasi massa udara 1,5 G.
Efisiensi konversi daya (PCE) sel surya perovskit (PSC) wis tekan rekor paling dhuwur sing disertifikasi yaiku 26%1. Wiwit taun 2015, PSC modern luwih seneng karo formamidine triiodide perovskit (FAPbI3) minangka lapisan penyerap cahya amarga stabilitas termal sing apik banget lan celah pita preferensial sing cedhak karo watesan Shockley-Keisser yaiku 2,3,4. Sayange, film FAPbI3 kanthi termodinamika ngalami transisi fase saka fase α ireng menyang fase non-perovskit δ kuning ing suhu kamar5,6. Kanggo nyegah pembentukan fase delta, macem-macem komposisi perovskit kompleks wis dikembangake. Strategi sing paling umum kanggo ngatasi masalah iki yaiku nyampur FAPbI3 karo kombinasi ion metil amonium (MA+), cesium (Cs+) lan bromida (Br-)7,8,9. Nanging, perovskit hibrida nandhang sangsara amarga pelebaran celah pita lan pamisahan fase sing diinduksi foto, sing ngganggu kinerja lan stabilitas operasional PSC sing diasilake10,11,12.
Panliten anyar nuduhake yen FAPbI3 kristal tunggal murni tanpa doping nduweni stabilitas sing apik banget amarga kristalinitas sing apik banget lan cacat sing sithik13,14. Mulane, nyuda cacat kanthi nambah kristalinitas FAPbI3 massal minangka strategi penting kanggo entuk PSC sing efisien lan stabil2,15. Nanging, sajrone operasi FAPbI3 PSC, degradasi dadi fase δ non-perovskit heksagonal kuning sing ora dikarepake isih bisa kedadeyan16. Proses kasebut biasane diwiwiti ing permukaan lan wates butir sing luwih rentan marang banyu, panas lan cahya amarga anane akeh area sing cacat17. Mulane, pasivasi permukaan/butir perlu kanggo nyetabilake fase ireng FAPbI318. Akeh strategi pasivasi cacat, kalebu introduksi perovskit dimensi rendah, molekul Lewis asam-basa, lan uyah amonium halida, wis nggawe kemajuan gedhe ing formamidin PSC19,20,21,22. Nganti saiki, meh kabeh panliten wis fokus ing peran macem-macem cacat kanggo nemtokake sifat optoelektronik kayata rekombinasi pembawa, dawa difusi lan struktur pita ing sel surya22,23,24. Contone, teori fungsional kapadhetan (DFT) digunakake kanggo sacara teoritis prédhiksi energi pembentukan lan tingkat energi jebakan saka macem-macem cacat, sing digunakake sacara wiyar kanggo nuntun desain pasivasi praktis20,25,26. Nalika jumlah cacat mudhun, stabilitas piranti biasane saya apik. Nanging, ing PSC formamidin, mekanisme pengaruh macem-macem cacat ing stabilitas fase lan sifat fotolistrik kudu beda banget. Sakwruh kawruh kita, pangerten dhasar babagan kepiye cacat nyebabake transisi fase kubik dadi heksagonal (α-δ) lan peran pasivasi permukaan ing stabilitas fase perovskit α-FAPbI3 isih kurang dingerteni.
Ing kene, kita mbukak jalur degradasi perovskit FAPbI3 saka fase α ireng dadi fase δ kuning lan pengaruh macem-macem cacat ing alangan energi transisi fase α-menyang-δ liwat DFT. Kekosongan I, sing gampang digawe sajrone fabrikasi film lan operasi piranti, diprediksi paling mungkin miwiti transisi fase α-δ. Mulane, kita ngenalake lapisan timbal oksalat (PbC2O4) sing ora larut ing banyu lan stabil sacara kimia ing ndhuwur FAPbI3 liwat reaksi in situ. Permukaan timbal oksalat (LOS) nyegah pembentukan kekosongan I lan nyegah migrasi ion I nalika dirangsang dening panas, cahya, lan medan listrik. LOS sing diasilake sacara signifikan nyuda rekombinasi nonradiatif antarmuka lan nambah efisiensi FAPbI3 PSC dadi 25,39% (disertifikasi dadi 24,92%). Piranti LOS sing ora dikemas tetep njaga 92% efisiensi asline sawise dioperasikake ing titik daya maksimum (MPP) luwih saka 550 jam ing massa udara simulasi (AM) 1,5 G radiasi.
Pisanan kita nindakake pitungan ab initio kanggo nemokake jalur dekomposisi perovskit FAPbI3 kanggo transisi saka fase α menyang fase δ. Liwat proses transformasi fase sing rinci, ditemokake yen transformasi saka oktahedron sing nuduhake pojok [PbI6] telung dimensi ing fase α kubik FAPbI3 menyang oktahedron sing nuduhake pinggiran siji dimensi [PbI6] ing fase δ heksagonal FAPbI3 wis digayuh. breaking 9. Pb-I mbentuk ikatan ing langkah pertama (Int-1), lan alangan energine tekan 0,62 eV/sel, kaya sing dituduhake ing Gambar 1a. Nalika oktahedron digeser ing arah [0\(\bar{1}\)1], rantai cendhak heksagonal ngembang saka 1×1 dadi 1×3, 1×4 lan pungkasane mlebu fase δ. Rasio orientasi saka kabeh jalur yaiku (011)α//(001)δ + [100]α//[100]δ. Saka diagram distribusi energi, bisa ditemokake yen sawise nukleasi fase δ saka FAPbI3 ing tahapan sabanjure, alangan energi luwih murah tinimbang transisi fase α, sing tegese transisi fase bakal luwih cepet. Temenan, langkah pertama kanggo ngontrol transisi fase iku penting banget yen kita pengin nyegah degradasi fase α.
a Proses transformasi fase saka kiwa menyang tengen – fase FAPbI3 ireng (fase-α), pamisahan ikatan Pb-I pisanan (Int-1) lan luwih lanjut pamisahan ikatan Pb-I (Int-2, Int -3 lan Int -4) lan fase kuning FAPbI3 (fase delta). b Alangan energi kanggo transisi fase α menyang δ saka FAPbI3 adhedhasar macem-macem cacat titik intrinsik. Garis putus-putus nuduhake alangan energi kristal ideal (0,62 eV). c Energi pembentukan cacat titik utama ing permukaan perovskit timbal. Sumbu absis minangka alangan energi saka transisi fase α-δ, lan sumbu ordinat minangka energi pembentukan cacat. Bagean sing diarsir abu-abu, kuning lan ijo yaiku tipe I (EB rendah-FE dhuwur), tipe II (FE dhuwur) lan tipe III (EB rendah-FE rendah). d Energi pembentukan cacat VI lan LOS saka FAPbI3 ing kontrol. e I alangan kanggo migrasi ion ing kontrol lan LOS saka FAPbI3. f – gambaran skematis migrasi ion I (bola oranye) lan gLOS FAPbI3 (abu-abu, timbal; ungu (oranye), yodium (yodium seluler)) ing kontrol gf (kiwa: tampilan ndhuwur; tengen: penampang melintang, coklat); karbon; biru enom – nitrogen; abang – oksigen; jambon enom – hidrogen). Data sumber diwenehake ing wangun file data sumber.
Banjur kita kanthi sistematis nyinaoni pengaruh macem-macem cacat titik intrinsik (kalebu PbFA, IFA, PbI, lan okupansi antisite IPb; atom interstitial Pbi lan Ii; lan lowongan VI, VFA, lan VPb), sing dianggep minangka faktor kunci. sing nyebabake degradasi fase tingkat atom lan energi dituduhake ing Gambar 1b lan Tabel Tambahan 1. Menariknya, ora kabeh cacat nyuda alangan energi transisi fase α-δ (Gambar 1b). Kita percaya manawa cacat sing duwe energi formasi sing kurang lan alangan energi transisi fase α-δ sing luwih murah dianggep ngrugekake stabilitas fase. Kaya sing dilapurake sadurunge, permukaan sing sugih timbal umume dianggep efektif kanggo formamidin PSC27. Mulane, kita fokus ing permukaan (100) sing diakhiri PbI2 ing kahanan sing sugih timbal. Energi pembentukan cacat cacat titik intrinsik permukaan dituduhake ing Gambar 1c lan Tabel Tambahan 1. Adhedhasar alangan energi (EB) lan energi pembentukan transisi fase (FE), cacat kasebut diklasifikasikake dadi telung jinis. Tipe I (EB endhek-FE dhuwur): Sanajan IPb, VFA lan VPb nyuda alangan energi kanggo transisi fase kanthi signifikan, nanging nduweni energi formasi sing dhuwur. Mulane, kita percaya yen jinis cacat iki nduweni dampak winates ing transisi fase amarga arang kawangun. Tipe II (EB dhuwur): Amarga alangan energi transisi fase α-δ sing luwih apik, cacat anti-situs PbI, IFA lan PbFA ora ngrusak stabilitas fase perovskit α-FAPbI3. Tipe III (EB endhek-FE endhek): Cacat VI, Ii lan Pbi kanthi energi formasi sing relatif endhek bisa nyebabake degradasi fase ireng. Utamane diwenehi FE lan EB VI sing paling endhek, kita percaya yen strategi sing paling efektif yaiku nyuda kekosongan I.
Kanggo ngurangi VI, kita ngembangake lapisan PbC2O4 sing padhet kanggo ningkatake permukaan FAPbI3. Dibandhingake karo pasivator uyah halida organik kayata feniletilammonium iodida (PEAI) lan n-oktilammonium iodida (OAI), PbC2O4, sing ora ngandhut ion halogen seluler, stabil sacara kimia, ora larut ing banyu, lan gampang dinonaktifake nalika distimulasi. Stabilisasi kelembapan permukaan lan medan listrik perovskit sing apik. Kelarutan PbC2O4 ing banyu mung 0,00065 g / L, sing malah luwih murah tinimbang PbSO428. Sing luwih penting, lapisan LOS sing padhet lan seragam bisa disiapake kanthi alus ing film perovskit nggunakake reaksi in situ (deleng ing ngisor iki). Kita nindakake simulasi DFT saka ikatan antarmuka antarane FAPbI3 lan PbC2O4 kaya sing dituduhake ing Gambar Tambahan 1. Tabel Tambahan 2 nampilake energi pembentukan cacat sawise injeksi LOS. Kita nemokake yen LOS ora mung nambah energi pembentukan cacat VI sebesar 0,69–1,53 eV (Gambar 1d), nanging uga nambah energi aktivasi I ing permukaan migrasi lan permukaan metu (Gambar 1e). Ing tahap pertama, ion I migrasi ing sadawane permukaan perovskit, ninggalake ion VI ing posisi kisi kanthi alangan energi 0,61 eV. Sawise introduksi LOS, amarga efek alangan sterik, energi aktivasi kanggo migrasi ion I mundhak dadi 1,28 eV. Sajrone migrasi ion I ninggalake permukaan perovskit, alangan energi ing VOC uga luwih dhuwur tinimbang ing sampel kontrol (Gambar 1e). Diagram skematis jalur migrasi ion I ing kontrol lan LOS FAPbI3 dituduhake ing Gambar 1 f lan g. Asil simulasi nuduhake yen LOS bisa nyegah pembentukan cacat VI lan penguapan I, saengga nyegah nukleasi transisi fase α menyang δ.
Reaksi antarane asam oksalat lan perovskit FAPbI3 diuji. Sawise nyampur larutan asam oksalat lan FAPbI3, akeh endapan putih sing kawangun, kaya sing dituduhake ing Gambar Tambahan 2. Produk bubuk kasebut diidentifikasi minangka bahan PbC2O4 murni nggunakake difraksi sinar-X (XRD) (Gambar Tambahan 3) lan spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FTIR) (Gambar Tambahan 4). Kita nemokake yen asam oksalat larut banget ing alkohol isopropil (IPA) ing suhu kamar kanthi kelarutan kira-kira 18 mg/mL, kaya sing dituduhake ing Gambar Tambahan 5. Iki nggampangake proses sabanjure amarga IPA, minangka pelarut pasivasi umum, ora ngrusak lapisan perovskit ngluwihi wektu sing cendhak29. Mulane, kanthi nyemplungake film perovskit ing larutan asam oksalat utawa nutupi larutan asam oksalat kanthi spin-coating ing perovskit, PbC2O4 sing tipis lan padhet bisa cepet dipikolehi ing permukaan film perovskit miturut persamaan kimia ing ngisor iki: H2C2O4 + FAPbI3 = PbC2O4 + FAI +HI. FAI bisa larut ing IPA lan kanthi mangkono diilangi nalika masak. Kekandelan LOS bisa dikontrol dening wektu reaksi lan konsentrasi prekursor.
Gambar mikroskop elektron pindai (SEM) saka film perovskit kontrol lan LOS dituduhake ing Gambar 2a, b. Asil kasebut nuduhake yen morfologi permukaan perovskit tetep apik, lan akeh partikel alus sing diendapkan ing permukaan butiran, sing kudune makili lapisan PbC2O4 sing dibentuk dening reaksi in-situ. Film perovskit LOS nduweni permukaan sing rada luwih alus (Gambar Tambahan 6) lan sudut kontak banyu sing luwih gedhe dibandhingake karo film kontrol (Gambar Tambahan 7). Mikroskopi elektron transmisi transversal resolusi dhuwur (HR-TEM) digunakake kanggo mbedakake lapisan permukaan produk. Dibandhingake karo film kontrol (Gambar 2c), lapisan tipis sing seragam lan padhet kanthi kekandelan udakara 10 nm katon jelas ing ndhuwur perovskit LOS (Gambar 2d). Nggunakake mikroskop elektron pindai medan peteng annular sudut dhuwur (HAADF-STEM) kanggo mriksa antarmuka antarane PbC2O4 lan FAPbI3, anané wilayah kristal FAPbI3 lan wilayah amorf PbC2O4 bisa diamati kanthi jelas (Gambar Tambahan 8). Komposisi permukaan perovskit sawise perawatan asam oksalat ditondoi kanthi pangukuran spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS), kaya sing dituduhake ing Gambar 2e-g. Ing Gambar 2e, puncak C1s sekitar 284,8 eV lan 288,5 eV kalebu sinyal CC lan FA tartamtu. Dibandhingake karo membran kontrol, membran LOS nuduhake puncak tambahan ing 289,2 eV, sing disebabake dening C2O42-. Spektrum O1s saka perovskit LOS nuduhake telung puncak O1s sing béda sacara kimia ing 531,7 eV, 532,5 eV, lan 533,4 eV, sing cocog karo COO sing dideprotonasi, C=O saka gugus oksalat utuh 30 lan atom O saka komponen OH (Gambar 2e). )). Kanggo sampel kontrol, mung puncak O1s cilik sing diamati, sing bisa disebabake dening oksigen sing diserap sacara kimia ing permukaan. Karakteristik membran kontrol Pb 4f7/2 lan Pb 4f5/2 dumunung ing 138,4 eV lan 143,3 eV. Kita mirsani manawa perovskit LOS nuduhake owah-owahan puncak Pb udakara 0,15 eV menyang energi pengikatan sing luwih dhuwur, sing nuduhake interaksi sing luwih kuwat antarane atom C2O42- lan Pb (Gambar 2g).
a Gambar SEM saka film perovskit kontrol lan b LOS, tampilan ndhuwur. c Mikroskopi elektron transmisi penampang lintang resolusi dhuwur (HR-TEM) saka film perovskit kontrol lan d LOS. XPS resolusi dhuwur saka film perovskit e C 1s, f O 1s lan g Pb 4f. Data sumber diwenehake ing wangun file data sumber.
Miturut asil DFT, sacara teoritis diprediksi manawa cacat VI lan migrasi I gampang nyebabake transisi fase saka α dadi δ. Laporan sadurunge nuduhake manawa I2 cepet dibebasake saka film perovskit berbasis PC sajrone fotoimersi sawise film kasebut kena cahya lan stres termal31,32,33. Kanggo ngonfirmasi efek stabilisasi timbal oksalat ing fase α perovskit, kita nyemplungake film perovskit kontrol lan LOS ing botol kaca transparan sing ngemot toluena, banjur disinari nganggo 1 sinar srengenge sajrone 24 jam. Kita ngukur panyerepan ultraviolet lan cahya sing katon (UV-Vis). larutan toluena, kaya sing dituduhake ing Gambar 3a. Dibandhingake karo sampel kontrol, intensitas panyerepan I2 sing luwih murah diamati ing kasus LOS-perovskit, sing nuduhake manawa LOS kompak bisa nyegah pelepasan I2 saka film perovskit sajrone perendaman cahya. Foto film kontrol lan perovskit LOS sing wis tuwa dituduhake ing inset Gambar 3b lan c. Perovskit LOS isih ireng, dene sebagian besar film kontrol wis malih dadi kuning. Spektrum serapan UV-katon saka film sing direndhem dituduhake ing Gambar 3b, c. Kita mirsani manawa serapan sing cocog karo α ing film kontrol jelas mudhun. Pangukuran sinar-X ditindakake kanggo ndokumentasikake evolusi struktur kristal. Sawise 24 jam penyinaran, perovskit kontrol nuduhake sinyal fase δ kuning sing kuwat (11,8°), dene perovskit LOS isih njaga fase ireng sing apik (Gambar 3d).
Spektrum serapan UV-katon saka larutan toluena ing ngendi film kontrol lan film LOS dicelupake ing sangisore sinar srengenge sajrone 24 jam. Sisipan kasebut nuduhake vial ing ngendi saben film dicelupake ing volume toluena sing padha. b Spektrum serapan UV-Vis saka film kontrol lan c film LOS sadurunge lan sawise 24 jam dicelupake ing sangisore sinar srengenge. Sisipan kasebut nuduhake foto film uji coba. d Pola difraksi sinar-X film kontrol lan LOS sadurunge lan sawise 24 jam paparan. Gambar SEM saka film kontrol e lan film f LOS sawise 24 jam paparan. Data sumber diwenehake ing wangun file data sumber.
Kita nindakake pangukuran mikroskop elektron pindai (SEM) kanggo mirsani owah-owahan mikrostruktural film perovskit sawise 24 jam penyinaran, kaya sing dituduhake ing Gambar 3e, f. Ing film kontrol, butiran gedhe dirusak lan diowahi dadi jarum cilik, sing cocog karo morfologi produk fase δ FAPbI3 (Gambar 3e). Kanggo film LOS, butiran perovskit tetep ana ing kahanan apik (Gambar 3f). Asil kasebut ngonfirmasi manawa ilang I kanthi signifikan nyebabake transisi saka fase ireng menyang fase kuning, dene PbC2O4 nyetabilake fase ireng, nyegah ilang I. Amarga kapadhetan kekosongan ing permukaan luwih dhuwur tinimbang ing bulk butiran,34 fase iki luwih cenderung kedadeyan ing permukaan butiran, bebarengan ngeculake yodium lan mbentuk VI. Kaya sing diprediksi dening DFT, LOS bisa nyegah pembentukan cacat VI lan nyegah migrasi ion I menyang permukaan perovskit.
Kajaba iku, efek lapisan PbC2O4 marang resistensi kelembapan film perovskit ing udara atmosfer (kelembapan relatif 30-60%) uga ditliti. Kaya sing dituduhake ing Gambar Tambahan 9, perovskit LOS isih ireng sawise 12 dina, dene film kontrol malih dadi kuning. Ing pangukuran XRD, film kontrol nuduhake puncak sing kuwat ing 11,8° sing cocog karo fase δ FAPbI3, dene perovskit LOS nahan fase α ireng kanthi apik (Gambar Tambahan 10).
Fotoluminesensi steady-state (PL) lan fotoluminesensi time-resolved (TRPL) digunakake kanggo nyinaoni efek pasivasi timbal oksalat ing permukaan perovskit. Ing Gambar 4a, film LOS nambah intensitas PL. Ing gambar pemetaan PL, intensitas film LOS ing kabeh area 10 × 10 μm2 luwih dhuwur tinimbang film kontrol (Gambar Tambahan 11), sing nuduhake yen PbC2O4 kanthi seragam ngpasivasi film perovskit. Umur operator ditemtokake kanthi nyedhaki peluruhan TRPL kanthi fungsi eksponensial tunggal (Gambar 4b). Umur operator film LOS yaiku 5,2 μs, sing luwih dawa tinimbang film kontrol kanthi umur operator 0,9 μs, sing nuduhake rekombinasi nonradiatif permukaan sing suda.
PL kahanan ajeg lan spektrum-b saka PL sementara film perovskit ing substrat kaca. c Kurva SP piranti (FTO/TiO2/SnO2/perovskit/spiro-OMeTAD/Au). d Spektrum EQE lan spektrum Jsc EQE sing diintegrasi saka piranti sing paling efisien. d Katergantungan intensitas cahya piranti perovskit ing diagram Voc. f Analisis MKRC khas nggunakake piranti bolongan resik ITO/PEDOT:PSS/perovskit/PCBM/Au. VTFL minangka voltase pengisian jebakan maksimum. Saka data kasebut, kita ngetung kapadhetan jebakan (Nt). Data sumber diwenehake ing wangun file data sumber.
Kanggo nyinaoni efek lapisan oksalat timbal ing kinerja piranti, struktur kontak FTO/TiO2/SnO2/perovskit/spiro-OMeTAD/Au tradisional digunakake. Kita nggunakake formamidin klorida (FACl) minangka aditif kanggo prekursor perovskit tinimbang metilamin hidroklorida (MACl) kanggo entuk kinerja piranti sing luwih apik, amarga FACl bisa nyedhiyakake kualitas kristal sing luwih apik lan nyegah celah pita FAPbI335 (waca Gambar Tambahan 1 lan 2 kanggo perbandingan rinci). ). 12-14). IPA dipilih minangka antipelarut amarga nyedhiyakake kualitas kristal sing luwih apik lan orientasi sing luwih disenengi ing film perovskit dibandhingake karo dietil eter (DE) utawa klorobenzena (CB) 36 (Gambar Tambahan 15 lan 16). Kekandelan PbC2O4 dioptimalake kanthi ati-ati kanggo ngimbangi pasivasi cacat lan transportasi muatan kanthi nyetel konsentrasi asam oksalat (Gambar Tambahan 17). Gambar SEM cross-sectional saka piranti kontrol lan LOS sing dioptimalake dituduhake ing Gambar Tambahan 18. Kurva kerapatan arus (CD) khas kanggo piranti kontrol lan LOS dituduhake ing Gambar 4c, lan parameter sing diekstrak diwenehake ing Tabel Tambahan 3. Sel kontrol efisiensi konversi daya maksimum (PCE) 23,43% (22,94%), Jsc 25,75 mA cm-2 (25,74 mA cm-2), Voc 1,16 V (1,16 V) lan pindai mundur (maju). Faktor pengisian (FF) yaiku 78,40% (76,69%). PCE LOS PSC maksimum yaiku 25,39% (24,79%), Jsc yaiku 25,77 mA cm-2, Voc yaiku 1,18 V, FF yaiku 83,50% (81,52%) saka mundur (pindai maju menyang). Piranti LOS entuk kinerja fotovoltaik sing disertifikasi 24,92% ing laboratorium fotovoltaik pihak katelu sing dipercaya (Gambar Tambahan 19). Efisiensi kuantum eksternal (EQE) menehi Jsc terintegrasi 24,90 mA cm-2 (kontrol) lan 25,18 mA cm-2 (LOS PSC), sing cocog karo Jsc sing diukur ing spektrum AM 1,5 G standar (Gambar .4d). Distribusi statistik PCE sing diukur kanggo kontrol lan LOS PSC dituduhake ing Gambar Tambahan 20.
Kaya sing dituduhake ing Gambar 4e, hubungan antarane Voc lan intensitas cahya diitung kanggo nyinaoni efek PbC2O4 ing rekombinasi permukaan sing dibantu jebakan. Kemiringan garis sing dipasang kanggo piranti LOS yaiku 1,16 kBT/sq, sing luwih murah tinimbang kemiringan garis sing dipasang kanggo piranti kontrol (1,31 kBT/sq), sing ngonfirmasi manawa LOS migunani kanggo nyegah rekombinasi permukaan dening umpan. Kita nggunakake teknologi pembatas arus muatan ruang (SCLC) kanggo ngukur sacara kuantitatif kapadhetan cacat film perovskit kanthi ngukur karakteristik IV peteng saka piranti bolongan (ITO/PEDOT:PSS/perovskit/spiro-OMeTAD/Au) kaya sing dituduhake ing gambar. 4f Tampilake. Kapadhetan jebakan diitung nganggo rumus Nt = 2ε0εVTFL/eL2, ing ngendi ε minangka konstanta dielektrik relatif saka film perovskit, ε0 minangka konstanta dielektrik vakum, VTFL minangka voltase pembatas kanggo ngisi jebakan, e minangka muatan, L minangka kekandelan film perovskit (650 nm). Kapadhetan cacat piranti VOC diitung dadi 1,450 × 1015 cm–3, sing luwih murah tinimbang kapadhetan cacat piranti kontrol, yaiku 1,795 × 1015 cm–3.
Piranti sing ora dibungkus diuji ing titik daya maksimum (MPP) ing sangisore cahya awan kebak nitrogen kanggo mriksa stabilitas kinerja jangka panjang (Gambar 5a). Sawise 550 jam, piranti LOS isih njaga 92% efisiensi maksimal, dene kinerja piranti kontrol wis mudhun dadi 60% saka kinerja asline. Distribusi unsur ing piranti lawas diukur kanthi spektrometri massa ion sekunder wektu-penerbangan (ToF-SIMS) (Gambar 5b, c). Akumulasi yodium sing akeh bisa dideleng ing area kontrol emas ndhuwur. Kondisi perlindungan gas inert ora kalebu faktor-faktor sing ngrusak lingkungan kayata kelembapan lan oksigen, sing nuduhake yen mekanisme internal (yaiku, migrasi ion) sing tanggung jawab. Miturut asil ToF-SIMS, ion I- lan AuI2- dideteksi ing elektroda Au, sing nuduhake difusi I saka perovskit menyang Au. Intensitas sinyal ion I- lan AuI2- ing piranti kontrol kira-kira 10 kali luwih dhuwur tinimbang sampel VOC. Laporan sadurunge nuduhake yen permeasi ion bisa nyebabake penurunan konduktivitas bolongan spiro-OMeTAD kanthi cepet lan korosi kimia ing lapisan elektroda ndhuwur, saengga ngrusak kontak antarmuka ing piranti kasebut37,38. Elektroda Au dicopot lan lapisan spiro-OMeTAD diresiki saka substrat nganggo larutan klorobenzena. Banjur kita njlentrehake film kasebut nggunakake difraksi sinar-X insidensi grazing (GIXRD) (Gambar 5d). Asil kasebut nuduhake yen film kontrol duwe puncak difraksi sing jelas ing 11,8°, dene ora ana puncak difraksi anyar sing katon ing sampel LOS. Asil kasebut nuduhake yen kerugian gedhe ion I ing film kontrol nyebabake generasi fase δ, dene ing film LOS proses iki jelas dihambat.
575 jam pelacakan MPP terus-terusan saka piranti sing ora disegel ing atmosfer nitrogen lan 1 sinar srengenge tanpa filter UV. Distribusi ToF-SIMS ion b I- lan c AuI2- ing piranti kontrol LOS MPP lan piranti penuaan. Warna kuning, ijo lan oranye cocog karo Au, Spiro-OMeTAD lan perovskit. d GIXRD film perovskit sawise tes MPP. Data sumber diwenehake ing wangun file data sumber.
Konduktivitas sing gumantung karo suhu diukur kanggo ngonfirmasi manawa PbC2O4 bisa nyegah migrasi ion (Gambar Tambahan 21). Energi aktivasi (Ea) saka migrasi ion ditemtokake kanthi ngukur owah-owahan konduktivitas (σ) film FAPbI3 ing suhu sing beda (T) lan nggunakake hubungan Nernst-Einstein: σT = σ0exp(−Ea/kBT), ing ngendi σ0 minangka konstanta, kB minangka konstanta Boltzmann. Kita entuk nilai Ea saka lereng ln(σT) versus 1/T, yaiku 0,283 eV kanggo kontrol lan 0,419 eV kanggo piranti LOS.
Ringkesane, kita nyedhiyakake kerangka teoretis kanggo ngenali jalur degradasi perovskit FAPbI3 lan pengaruh macem-macem cacat ing alangan energi transisi fase α-δ. Antarane cacat kasebut, cacat VI sacara teoritis diprediksi bakal gampang nyebabake transisi fase saka α menyang δ. Lapisan PbC2O4 sing padhet sing ora larut ing banyu lan stabil sacara kimia dikenalake kanggo nyetabilake fase α FAPbI3 kanthi nyegah pembentukan kekosongan I lan migrasi ion I. Strategi iki kanthi signifikan nyuda rekombinasi non-radiatif antarmuka, nambah efisiensi sel surya dadi 25,39%, lan nambah stabilitas operasi. Asil kita nyedhiyakake pandhuan kanggo entuk PSC formamidin sing efisien lan stabil kanthi nyegah transisi fase α menyang δ sing disebabake cacat.
Titanium(IV) isopropoksida (TTIP, 99,999%) dituku saka Sigma-Aldrich. Asam klorida (HCl, 35,0–37,0%) lan etanol (anhidrat) dituku saka Guangzhou Chemical Industry. SnO2 (15 wt% dispersi koloid timah(IV) oksida) dituku saka Alfa Aesar. Timbal(II) iodida (PbI2, 99,99%) dituku saka TCI Shanghai (China). Formamidin iodida (FAI, ≥99,5%), formamidin klorida (FACl, ≥99,5%), metilamin hidroklorida (MACl, ≥99,5%), 2,2′,7,7′-tetrakis-(N, N-di-p))-metoksianilin)-9,9′-spirobifluorene (Spiro-OMeTAD, ≥99,5%), lithium bis(trifluorometana)sulfonilimida (Li-TFSI, 99,95%), 4-tert-butilpiridin (tBP, 96%) dituku saka Xi'an Polymer Light Technology Company (China). N,N-dimetilformamida (DMF, 99,8%), dimetil sulfoksida (DMSO, 99,9%), isopropil alkohol (IPA, 99,8%), klorobenzena (CB, 99,8%), asetonitril (ACN). Dituku saka Sigma-Aldrich. Asam oksalat (H2C2O4, 99,9%) dituku saka Macklin. Kabeh bahan kimia digunakake kaya sing ditampa tanpa modifikasi liyane.
Substrat ITO utawa FTO (1,5 × 1,5 cm2) diresiki kanthi ultrasonik nganggo deterjen, aseton, lan etanol sajrone 10 menit, banjur dikeringake ing aliran nitrogen. Lapisan penghalang TiO2 sing padhet diendapkan ing substrat FTO nggunakake larutan titanium diisopropoxybis (asetilasetonat) ing etanol (1/25, v/v) sing diendapkan ing suhu 500 °C sajrone 60 menit. Dispersi koloid SnO2 diencerake karo banyu deionisasi kanthi rasio volume 1:5. Ing substrat resik sing diolah nganggo ozon UV sajrone 20 menit, film tipis nanopartikel SnO2 diendapkan ing 4000 rpm sajrone 30 detik banjur dipanasake ing suhu 150 °C sajrone 30 menit. Kanggo larutan prekursor perovskit, 275,2 mg FAI, 737,6 mg PbI2 lan FACl (20 mol%) dilarutake ing pelarut campuran DMF/DMSO (15/1). Lapisan perovskit disiapake kanthi sentrifugasi 40 μL larutan prekursor perovskit ing ndhuwur lapisan SnO2 sing diolah ozon UV kanthi kecepatan 5000 rpm ing udara sekitar sajrone 25 detik. 5 detik sawise wektu pungkasan, 50 μL larutan MACl3 IPA (4 mg/mL) cepet ditetesake ing substrat minangka antipelarut. Banjur, film sing nembe disiapake dipanasake ing suhu 150°C sajrone 20 menit lan banjur ing suhu 100°C sajrone 10 menit. Sawise ngademake film perovskit nganti suhu kamar, larutan H2C2O4 (1, 2, 4 mg sing dilarutake ing 1 mL IPA) disentrifugasi kanthi kecepatan 4000 rpm sajrone 30 detik kanggo ngpasivasi permukaan perovskit. Larutan spiro-OMeTAD sing disiapake kanthi nyampur 72,3 mg spiro-OMeTAD, 1 ml CB, 27 µl tBP lan 17,5 µl Li-TFSI (520 mg ing 1 ml asetonitril) dilapisi nganggo spin ing film kanthi kecepatan 4000 rpm sajrone 30 detik. Pungkasan, lapisan Au kandel 100 nm diuapke ing vakum kanthi kecepatan 0,05 nm/s (0 ~ 1 nm), 0,1 nm/s (2 ~ 15 nm) lan 0,5 nm/s (16 ~ 100 nm).
Kinerja SC saka sel surya perovskit diukur nggunakake Keithley 2400 meter ing sangisore iluminasi simulator surya (SS-X50) kanthi intensitas cahya 100 mW/cm2 lan diverifikasi nggunakake sel surya silikon standar sing dikalibrasi. Kajaba kasebut liya, kurva SP diukur ing kothak sarung tangan sing diisi nitrogen ing suhu kamar (~25°C) ing mode pindai maju lan mundur (langkah voltase 20 mV, wektu tundha 10 ms). Topeng bayangan digunakake kanggo nemtokake area efektif 0,067 cm2 kanggo PSC sing diukur. Pangukuran EQE ditindakake ing udhara sekitar nggunakake sistem PVE300-IVT210 (Industrial Vision Technology(s) Pte Ltd) kanthi cahya monokromatik sing fokus ing piranti kasebut. Kanggo stabilitas piranti, pengujian sel surya sing ora dienkapsulasi ditindakake ing kothak sarung tangan nitrogen kanthi tekanan 100 mW/cm2 tanpa filter UV. ToF-SIMS diukur nggunakake SIMS wektu-penerbangan PHI nanoTOFII. Profiling jerone dipikolehi nggunakake bedhil ion Ar 4 kV kanthi area 400 × 400 µm.
Pangukuran spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) ditindakake ing sistem Thermo-VG Scientific (ESCALAB 250) nggunakake Al Kα monokromatik (kanggo mode XPS) kanthi tekanan 5,0 × 10–7 Pa. Mikroskop elektron pindai (SEM) ditindakake ing sistem JEOL-JSM-6330F. Morfologi permukaan lan kekasaran film perovskit diukur nggunakake mikroskop gaya atom (AFM) (Bruker Dimension FastScan). STEM lan HAADF-STEM ditahan ing FEI Titan Themis STEM. Spektrum serapan UV-Vis diukur nggunakake UV-3600Plus (Shimadzu Corporation). Arus pembatas muatan ruang (SCLC) direkam ing meter Keithley 2400. Fotoluminesensi steady-state (PL) lan fotoluminesensi time-resolved (TRPL) saka peluruhan umur pembawa diukur nggunakake spektrometer fotoluminesensi FLS 1000. Gambar pemetaan PL diukur nggunakake sistem Horiba LabRam Raman HR Evolution. Spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FTIR) ditindakake nggunakake sistem Thermo-Fisher Nicolet NXR 9650.
Ing karya iki, kita nggunakake metode sampling jalur SSW kanggo nyinaoni jalur transisi fase saka fase α menyang fase δ. Ing metode SSW, gerakan permukaan energi potensial ditemtokake dening arah mode alus acak (turunan kapindho), sing ngidini studi rinci lan objektif babagan permukaan energi potensial. Ing karya iki, sampling jalur ditindakake ing supersel 72-atom, lan luwih saka 100 pasangan kahanan awal/akhir (IS/FS) dikumpulake ing tingkat DFT. Adhedhasar set data pasangan IS/FS, jalur sing nyambungake struktur awal lan struktur pungkasan bisa ditemtokake kanthi korespondensi antarane atom, banjur gerakan rong arah ing sadawane permukaan unit variabel digunakake kanggo nemtokake metode kahanan transisi kanthi lancar. (VK-DESV). Sawise nggoleki kahanan transisi, jalur kanthi alangan paling endhek bisa ditemtokake kanthi ngurutake alangan energi.
Kabeh pitungan DFT ditindakake nggunakake VASP (versi 5.3.5), ing ngendi interaksi elektron-ion atom C, N, H, Pb, lan I diwakili dening skema gelombang amplifikasi sing diproyeksikan (PAW). Fungsi korelasi ijol-ijolan diterangake dening pendekatan gradien umum ing parameterisasi Perdue-Burke-Ernzerhoff. Watesan energi kanggo gelombang bidang disetel dadi 400 eV. Kisi titik-k Monkhorst-Pack duwe ukuran (2 × 2 × 1). Kanggo kabeh struktur, posisi kisi lan atom dioptimalake kanthi lengkap nganti komponen stres maksimum ana ing ngisor 0,1 GPa lan komponen gaya maksimum ana ing ngisor 0,02 eV/Å. Ing model permukaan, permukaan FAPbI3 duwe 4 lapisan, lapisan ngisor duwe atom tetep sing nyimulasikake awak FAPbI3, lan telung lapisan ndhuwur bisa obah kanthi bebas sajrone proses optimasi. Lapisan PbC2O4 kandelé 1 ML lan dumunung ing permukaan terminal-I FAPbI3, ing ngendi Pb kaiket karo 1 I lan 4 O.
Kanggo informasi luwih lengkap babagan desain panliten, deleng Abstrak Laporan Portofolio Alami sing ana gandhengane karo artikel iki.
Kabeh data sing dipikolehi utawa dianalisis sajrone panliten iki kalebu ing artikel sing diterbitake, uga ing informasi pendukung lan file data mentah. Data mentah sing diwenehake ing panliten iki kasedhiya ing https://doi.org/10.6084/m9.figshare.2410016440. Data sumber diwenehake kanggo artikel iki.
Green, M. et al. Tabel Efisiensi Sel Surya (edisi kaping 57). program. fotolistrik. sumber daya. aplikasi. 29, 3–15 (2021).
Parker J. et al. Ngontrol tuwuhing lapisan perovskit nggunakake alkil amonium klorida sing gampang nguap. Nature 616, 724–730 (2023).
Zhao Y. et al. Ora Aktif (PbI2)2RbCl nyetabilake film perovskit kanggo sel surya efisiensi dhuwur. Science 377, 531–534 (2022).
Tan, K. et al. Sel surya perovskit sing diwalik nggunakake dopan dimetilakridinil. Nature, 620, 545–551 (2023).
Han, K. et al. Formamidin timbal iodida kristal tunggal (FAPbI3): wawasan babagan sifat struktural, optik, lan listrik. adverb. Matt. 28, 2253–2258 (2016).
Massey, S. et al. Stabilisasi fase perovskit ireng ing FAPbI3 lan CsPbI3. AKS Energy Communications. 5, 1974–1985 (2020).
You, JJ, dkk. Sel surya perovskit sing efisien liwat manajemen operator sing luwih apik. Nature 590, 587–593 (2021).
Saliba M. et al. Penggabungan kation rubidium menyang sel surya perovskit ningkatake kinerja fotovoltaik. Science 354, 206–209 (2016).
Saliba M. et al. Sel surya sesium perovskit triple-kation: stabilitas, reproduksibilitas, lan efisiensi dhuwur sing luwih apik. lingkungan energi. ilmu pengetahuan. 9, 1989–1997 (2016).
Cui X. et al. Kemajuan anyar ing stabilisasi fase FAPbI3 ing sel surya perovskit kinerja dhuwur Sol. RRL 6, 2200497 (2022).
Delagetta S. et al. Pamisahan fase fotoinduced sing dirasionalisasi saka perovskit organik-anorganik halida campuran. Nat. communicate. 8, 200 (2017).
Slotcavage, DJ et al. Pamisahan fase sing diinduksi cahya ing panyerep perovskit halida. AKS Energy Communications. 1, 1199–1205 (2016).
Chen, L. et al. Stabilitas fase intrinsik lan celah pita intrinsik kristal tunggal formamidin timbal triiodida perovskit. Anjiva. Kimia. internasionalitas. Ed. 61. e202212700 (2022).
Duinsti, EA, lan liya-liyane. Ngerteni dekomposisi metilendiammonium lan perane ing stabilisasi fase formamidin triiodida timbal. J. Chem. Bitch. 18, 10275–10284 (2023).
Lu, HZ et al. Deposisi uap sel surya perovskit ireng FAPbI3 sing efisien lan stabil. Science 370, 74 (2020).
Doherty, TAS, lan liya-liyane. Perovskit halida oktahedral miring sing stabil nyegah pembentukan fase lokal kanthi karakteristik winates. Science 374, 1598–1605 (2021).
Ho, K. et al. Mekanisme transformasi lan degradasi butiran formamidin lan perovskit cesium lan timbal iodida ing sangisore pengaruh kelembapan lan cahya. AKS Energy Communications. 6, 934–940 (2021).
Zheng J. et al. Pangembangan anion pseudohalida kanggo sel surya perovskit α-FAPbI3. Nature 592, 381–385 (2021).