Bedank veur ‘t bezeuke vaan Nature.com. De versie vaan de browser die geer gebruuk heet beperkte CSS-ondersteuning. Veur de bèste resultate raoje ver aon um ‘n nuujere versie vaan eur browser te gebruke (of de compatibiliteitsmodus in Internet Explorer oet te sjakele). In de tössentied, um veur de doorlopende ondersteuning te garandere, toene ver de site zonder styling of JavaScript.
Defectpassivatie is oetgebreid gebruuk um de prestaties vaan loodtriiodide perovskietzonnecelle te verbetere, mer ‘t effek vaan versjèllende defecte op de α-fase stabiliteit blief ondudelik; Hei, mit behulp vaan de dichtheidsfunctionele theorie, identificere veer veur ‘t ierste de aafbraokweeg vaan formamidine-loodtriiodideperovskiet vaan α-fase nao δ-fase en bestudere veer ‘t effek vaan versjèllende defecte op de fase-euvergangs-energiebarrière. Simulasieresultate veurspelle dat jodiumvacanties de meiste kans höbbe aafbraok te veroorzake umtot ze de energiebarrière veur de α-δ-fase-euvergaank significant verliege en de liegste vormingsenergie höbbe op ‘t perovskiete-oppervlak. De introductie vaan ‘n dichte laog water-onoplosbaar looxalaat op ‘t oppervlak vaan perovskiet remt de ontbinding vaan de α-fase significant, boedoor de migratie en vlöchteling vaan jodium weurt veurkomme. Daoneve vermindert dees strategie interfaciale neet-straolende recombinatie significant en verhoeg de efficiëntie vaan zonnecelle tot 25,39% (gecertificeerd 24,92%). ‘t Ongepakte apparaat kin nog altied zien oorspronkelike efficiëntie vaan 92% behawwe nao ‘t gebruuke vaan 550 oor op maximale krach oonder gesimuleerde 1,5 G lochmassabesjtraoling.
De energieconversie-efficiëntie (PCE) vaan perovskietzonnecelle (PSC’s) heet ‘n gecertificeerd recordhoogtepunt vaan 26%1 bereik. Sinds 2015 höbbe moderne PSC’s de veurkäör gegeve aon formamidinetriiodideperovskit (FAPbI3) es ‘n leechabsorberende laog vanwege de oetstekende thermische stabiliteit en de veurkäör bandgap kortbij de Shockley-Keisser-grens vaan 2,3,4. Ongelukkig oondergoon FAPbI3-films thermodynamisch ‘n fase-euvergang vaan ‘n zwarte α-fase nao ‘n gael neet-perovskiet δ-fase bij kamertemperatuur5,6. Um de vörming vaan de deltafase te veurkómme, zien versjillende complexe perovskietsamestèllinge óntwikkeld. De meis gebruukde strategie um dit probleem te euverwinne is um FAPbI3 te minge mit un combinatie vaan methyl ammonium (MA+), cesium (Cs+) en bromide (Br-) ione7,8,9. Hybride perovsjiete lijde echter aon bandgapverbreiing en door foto-geïnduceerde fasesjeiing, wat de prestaties en operationele stabiliteit vaan de resulterende PSC’s in gevaar bringk10,11,12.
Recente studies höbbe aongetoond dat pure einkristal FAPbI3 zoonder doping ‘n oetstekende stabiliteit heet door zien oetstekende kristalliniteit en liege defecte13,14. Daorum is ‘t vermindere vaan defecte door de kristalliniteit vaan bulk FAPbI3 te verhoege ‘n belangrieke strategie um efficiënte en stabiele PSC’s2,15 te bereike. Tijdens de werking vaan de FAPbI3 PSC kin echter nog steeds aafbraok nao de oongewenste gele hexagonale neet-perovskite δ-fase plaotsvinde16. ‘t Proces begint meistal op oppervlakke en korrelgrenze die geveuligker zien veur water, wermte en leech door de aonwezigheid vaan talrieke defecte gebede17. Daorum is oppervlakte/korrelpassivering nuudig um de zwarte fase vaan FAPbI318 te stabilisere. Väöl defectpassiveringsstrategieje, boe-oonder de introductie vaan lieg-dimensionale perovsjiete, zuur-base Lewis-molecule en ammoniumhalogenidezajte, höbbe groete veuroetgaank geboekt in formamidine PSC’s19,20,21,22. Tot op hede zien bekans alle studies geriech op de rol vaan versjèllende defecte in ‘t bepaole vaan opto-elektronische eigesjappe wie dragercombinatie, diffusielengte en bandstructuur in zonnecelle22,23,24. Dichtheidsfunctionele theorie (DFT) weurt beveurbeeld gebruuk um theoretisch de vormingsenergieë en ‘t valle vaan energieniveaus vaan versjèllende defecte te veurspelle, wat wiedverbreid weurt gebruuk um ‘t praktische passiveringsoontwerp te leie20,25,26. Naomaote ‘t aontal defecte aafnump, verbetert de stabiliteit vaan ‘t apparaat miestal. In formamidine PSC’s zouwe de mechanismes vaan de invlood vaan versjèllende defecte op fasestabiliteit en foto-elektrische eigesjappe echter gans aanders motte zien. Veur zoewiet wij wete, is ‘t fundamentele begrip vaan wie defecte de kubieke nao hexagonale (α-δ) fase-euvergaank inducere en de rol vaan oppervlaktepassivatie op de fasestabiliteit vaan α-FAPbI3-perovskiet nog neet good begrepe.
Hei onthulle we de aafbraokpaad vaan FAPbI3 perovskiet vaan zwarte α-fase nao gele δ-fase en de invlood vaan versjèllende defecte op de energiebarrière vaan de euvergaank vaan α-nao-δ-fase via DFT. I vacatures, die gemekkelik weure gegenereerd tijdens de productie vaan film en ‘t bediene vaan ‘t apparaat, weurt veurspeld dat ze de α-δ-fase-euvergaank de meiste kans zulle initiëre. Daorum höbbe veer ‘n in water-onoplosbare en chemisch stabiele dichte laog looxalaat (PbC2O4) boveop FAPbI3 geïntroduceerd door middel vaan ‘n in situ reactie. Oppervlak vaan looxalaat (LOS) remt de vörming vaan I-vacanties en veurkomt de migratie vaan I-ione es ‘t weurt gestimuleerd door wermte, leech en elektrische velde. De resulterende LOS vermindert de interfaciale non-radiatieve recombinatie significant en verbetert de FAPbI3 PSC-efficiëntie tot 25,39% (gecertificeerd tot 24,92%). ‘t Ongepakte LOS-apparaat behawwe 92% vaan zien oorsjprónkelike efficiëntie nao ‘t wèrke op ‘t maximum krachpunt (MPP) veur mie es 550 oor mèt ‘n gesimuleerde lochmassa (AM) vaan 1,5 G sjtraoling.
Ver höbbe iers ab initio berekeninge oetgeveurd um ‘t ontbindingsweeg vaan de FAPbI3-perovskiet te vinde veur de euvergaank vaan de α-fase nao de δ-fase. Door ‘n gedetailleerd fasetransformatieproces is gevoonde dat de transformatie vaan ‘n drei-dimensionale hookdeilende [PbI6] octaedron in de kubieke α-fase vaan FAPbI3 nao ‘n ein-dimensionele randdeilende [PbI6] octaedron in de hexagonale δ-fase vaan FAPbI3 is bereik. breke 9. Pb-I vörmp ‘n binding in de ierste stap (Int-1), en zien energiebarrière bereik 0,62 eV/cel, zoe wie in Figuur 1a. Es de octaèder in de [0\(\bar{1}\)1] riechting weert versjoof, breit de hexagonale korte ketting oet vaan 1×1 tot 1×3, 1×4 en geit oeteindelik de δ-fase binne. De orientatieverhouding vaan ‘t ganse paad is (011)α//(001)δ + [100]α//[100]δ. Oet ‘t energieverdeilingsdiagram kin weure gevoonde dat nao de nucleatie vaan de δ-fase vaan FAPbI3 in de volgende fases, de energiebarrière lieger is es die vaan de α-fase-euvergang, wat beteikent dat de fase-euvergaank zal weure versneld. ‘t Is duujelek dat de ierste stap vaan ‘t controlere vaan de fase-euvergaank belangriek is es veer de α-fase-aafbraok wille oonderdrökke.
‘n Fasetransformatieproces vaan links nao rechs – zwarte FAPbI3-fase (α-fase), ierste Pb-I-bindingssplitsing (Int-1) en wijer Pb-I-bindingssplitsing (Int-2, Int-3 en Int-4) en gaele fase FAPbI3 (delta-fase). b Energiebarrières veur de α-nao-δ-fase-euvergang vaan FAPbI3 gebaseerd op versjèllende intrinsieke puntdefecte. De stippellijn toent de energiebarrière vaan ‘n ideaal kristal (0,62 eV). c Energie vaan vorming vaan primaire puntdefecte op ‘t oppervlak vaan loodperovskiet. De abscissaas is de energiebarrière vaan de α-δ-fase-euvergang, en de ordinate-as is de energie vaan defectvörming. De onderdeile die in gries, geel en greun zien gesjeemd zien respectievelik type I (lieg EB-hoog FE), type II (hoog FE) en type III (lieg EB-lieg FE). d Energie vaan vörming vaan defecte VI en LOS vaan FAPbI3 in de controle. e I barrière veur ionmigratie in controle en LOS vaan FAPbI3. f – sjematische representatie vaan de migratie vaan I-ione (oranje bolle) en gLOS FAPbI3 (gries, lood; violet (oranje), jodium (mobiel jodium)) in de gf-controle (links: bovekant; rechs: dwarsdoorsneij, broen); koolstof; lichtblauw – stikstof; rood – zuurstof; liech roze – waterstof). Brongegeves weure verliend in de vörm vaan brongegevensbestande.
Vervolgens bestudeerde ver systematisch de invlood vaan versjillende intrinsieke puntdefecte (inclusief PbFA, IFA, PbI en IPb antisitebezetting; Pbi en Ii interstitiële atome; en VI, VFA en VPb vacanties), die es sleutelfactore weure besjouwd. die faseaafbraok op atoom- en energieniveau veroorzake, zien getoende in Figuur 1b en Aanvullende Tabel 1. Interessant is dat neet alle defecte de energiebarrière vaan de α-δ-fase-euvergaank vermindere (Figuur 1b). Ver zien vaan meining dat defecte die zoewel liege vormingsenergieën es liegere α-δ fase-euvergangsenergiebarrières höbbe es sjaojelek veur de fasestabiliteit weure besjouwd. Zoals eerder gerapporteerd, weure loodrieke oppervlakke euver ‘t algemein es effectief besjouwd veur formamidine PSC27. Daorum riechte veer ons op ‘t PbI2-afgeëindigde (100) oppervlak oonder loodrieke umstandeghede. De defectvörmingsenergie vaan oppervlakte-intrinsieke puntdefecte is getoend in Figuur 1c en Aanvullende Tabel 1. Op basis vaan de energiebarrière (EB) en fase-euvergangsvormingsenergie (FE) zien dees defecte ingedeild in drei types. Type I (lieg EB-hoog FE): Alhoewel IPb, VFA en VPb de energiebarrière veur fase-euvergaank significant vermindere, höbbe ze hoege vormingsenergieje. Daorum zien veer vaan meining dat dees soorte defecte ‘n beperkde invlood höbbe op fase-euvergange, aangezeen ze zelde weure gevörmp. Type II (hoeg EB): Vanwege de verbeterde α-δ-fase-euvergangs-energiebarrière, besjadige de anti-site-defecte PbI, IFA en PbFA de fasestabiliteit vaan α-FAPbI3-perovskiet neet. Type III (lieg EB-lieg FE): VI, Ii en Pbi-defecte mit relatief liege vormingsenergieje kinne zwarte fase-aafbraok veroorzake. Veural gezeen de liegste FE en EB VI, geluive veer dat de meis effectieve strategie is um I-vacatures te vermindere.
Um VI te vermindere, höbbe veer ‘n dichte laog PbC2O4 oontwikkeld um ‘t oppervlak vaan FAPbI3 te verbetere. In vergelieking mit organische halogeenzaajtpassivatoren wie fenylethylammoniumjodide (PEAI) en n-octylammoniumjodide (OAI), is PbC2O4, wat gein mobiele halogeen-ione bevat, chemisch stabiel, onoplosbaar in water en gemekkelik gedeactiveerd bij stimulatie. Goede stabilisatie vaan oppervlaktevochtigheid en ‘t elektrisch veld vaan perovskiet. De oplosbaarheid vaan PbC2O4 in water is mer 0,00065 g/L, wat nog lieger is es die vaan PbSO428. Belangrieke nog, dichte en uniforme laoge LOS kinne zach op perovskietfilms weure veurbereid met behölp vaan in situ reacties (zuug heioonder). Ver höbbe DFT-simulaties oetgeveurd vaan de interfaciale binding tusse FAPbI3 en PbC2O4, zoe wie in aanvullende figuur 1. Aanvullende tabel 2 gief de defectvormingsenergie nao LOS-injectie. Ver höbbe gevoonde dat LOS neet allein de vormingsenergie vaan VI-defecte verhoeg mit 0,69-1,53 eV (Figuur 1d), mer ouch de activeringsenergie vaan I op ‘t migratie- en oetgangsoppervlak verhoeg (Figuur 1e). In de ierste fase migrere I-ione langs ‘t perovskiete-oppervlak, boedoor VI-ione in ‘n rasterpositie mit ‘n energiebarrière vaan 0,61 eV blieve. Nao de introductie vaan LOS, door ‘t effek vaan sterische hindernis, nump de activeringsenergie veur de migratie vaan I-ione touw tot. 1,28 eV. Tijdens de migratie vaan I-ione die ‘t perovskiete-oppervlak verlaote, is de energiebarrière in de VOC ouch hoeger es in ‘t controlemonster (afb. 1e). Sjematische diagramme vaan I-ionmigratieroutes in controle en LOS FAPbI3 zien in Figuur 1 f en g, respectievelik, getoend. De simulatieresultate toene aan dat LOS de vörming vaan VI-defecte en de vlöchting vaan I kin remme, en zoedoende de nucleatie vaan de α-nao-δ-fase-euvergaank kin veurkoume.
De reactie tösse oxaalzoer en FAPbI3-perovskiet woort getes. Nao ‘t menge vaan de oplossinge vaan oxaalzoer en FAPbI3, woort ‘n groete hoeveelheid witte neerslag gevörmp, zoe wie in aanvullende aafbeelding 2. ‘t Poederproduk woort geïdentificeerd es puur PbC2O4-mattriaol mèt behulp vaan röntgendiffractie (XRD) (aanvullende aafbeelding 3) en Fouriertransformatie infraroedspectroscopie (FT) (Aanvullende aafbeelding 4). Ver höbbe gevoonde dat oxaalzuur oplosbaar is in isopropyalcohol (IPA) bij kamertemperatuur mit un oplosbaarheid vaan ongeveer 18 mg/mL, zoe wie in aanvullende figuur 5 te zien is. Dit maak de vervolgende verwèrking gemekkeliker aangezeen IPA, es ‘n algemein passiveringsmiddel, de perovskitelaog neet besjadigt nao korte tied 2999. Daorum, door de perovskietfilm in oxaalzuuroplossing te oonderdompe of de oxaalzoeroplossing op de perovskiet te spin-coate, kin dunne en dichte PbC2O4 snel op ‘t oppervlak vaan de perovskietfilm weure verkriege volgens de volgende chemische vergelieking: H2C2O4 + FAPI3 = PbI3 + FAI FAI kin in IPA weure opgelos en dus tijdens ‘t koke were verwijderd. De dikte vaan LOS kin weure gecontroleerd door reactietied en precursorconcentratie.
Scan-elektronmicroscopie (SEM)-beelde vaan controle- en LOS-perovskietfilms zien in figure 2a,b getoend. De resultate toene aon dat de morfologie vaan ‘t oppervlak vaan ‘t perovsjiet good is bewaord, en dat ‘n groet aontal fijne deilkes op ‘t graanoppervlak is aafgezat, wat ‘n PbC2O4-laog zou motte vertegenwoordige dee is gevörmp door de in-situ-reactie. De LOS-perovskietfilm heet ‘n get gladder oppervlak (Aonvullende Figuur 6) en ‘n groetere waterkontakhook in vergelieking mit de controlefilm (Aonvullende Figuur 7). Hoegresolutie transverse transmissie elektronmicroscopie (HR-TEM) woort gebruuk um de oppervlaktelaog vaan ‘t produk te ondersjeie. In vergelieking mit de controlefilm (Afb. 2c) is ‘n uniforme en dichte dunne laog mit ‘n dikte vaan ongeveer 10 nm duudelik zichbaar bovenop de LOS-perovskiet (Afb. 2d). Door ‘t gebruuk vaan high-angle ringvormige dark-field scanning electron microscopie (HAADF-STEM) um ‘t grensvlak tösse PbC2O4 en FAPbI3 te oonderzeuke, kin de aonwezigheid vaan kristallijne regio’s vaan FAPbI3 en amorfe regio’s vaan PbC2O4 dudelik weure woergenome (Aonvullende Figuur 8). De oppervlaktesamestèlling vaan de perovskiet nao oxaalzuurbehandeling woort gekinmerk door röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS)-metinge, zoewie in figure 2e-g. In aafbeelding 2e behure de C 1s-pieke roond 284,8 eV en 288,5 eV respectievelik tot de specifieke CC- en FA-signale. In vergelieking mit ut controlemembraan, vertoende ut LOS-membraan un extra piek op 289,2 eV, touwgesjreve aan C2O42-. ‘t O 1s-spectrum vaan LOS-perovskiet vertoent drei chemisch versjillende O 1s-pieke bij 531,7 eV, 532,5 eV en 533,4 eV, die euvereinkomme mit gedeprotoneerde COO, C=O vaan intacte oxalaatgroepe 30 en O-atome vaan ‘t OH-component (afb. 2). )). Veur ‘t controlemonster woort mer ‘n klein O 1s-piek gezeen, wat kin weure touwgesjreve aon zuurstof die op ‘t oppervlak woort gesorbeerd. De controlemembraankenmerke vaan Pb 4f7/2 en Pb 4f5/2 zien respectievelik op 138,4 eV en 143,3 eV. We observeerde dat de LOS-perovskiet ‘n versjuiving vaan de Pb-piek vaan ongeveer 0,15 eV nao ‘n hoeger bindingsenergie vertoent, wat ‘n sterkere interactie tusse de C2O42- en Pb-atome aonguuf (Afb. 2g).
a SEM-beelde vaan controle- en b LOS-perovskietfilms, bovenaanzich. c Hoogresolutie cross-sectionele transmissie elektronmicroscopie (HR-TEM) vaan controle en d LOS perovskietfilms. Hoeg-resolutie XPS vaan e C 1s, f O 1s en g Pb 4f perovskietfilms. Brongegeves weure verliend in de vörm vaan brongegevensbestande.
Volgens de DFT-resultate weurt theoretisch veurspeld dat VI-defecte en I-migratie de fase-euvergaank vaan α nao δ gemekkelik veroorzake. Veurige rapporte höbbe aongetoond dat I2 snel weurt losgelaote vaan PC-gebaseerde perovskietfilms tijdens foto-onderdompeling naodat de films zien blootgesjtild aon leech en thermische spanning31,32,33. Um ‘t stabiliserende effect vaan loodoxalaat op de α-fase vaan perovskiet te bevestege, höbbe veer de controle- en LOS-perovskietfilms in transparante glaze flesse die tolueen bevatte, oondergedompeld en ze vervolgens 24 oor laank mèt 1 zonleech besjtraold. Ver maote de absorptie vaan ultraviolet en zichtbaar leech (UV-Vis). ) tolueenoplossing, wie in figuur 3a. In vergelieking mit ‘t controlemonster woort ‘n väöl lieger I2-absorptie-intensiteit woergenome in ‘t geval vaan LOS-perovskiet, wat aonguuf dat compacte LOS de vrijlating vaan I2 oet de perovskietfilm tijdens leechdompeling kin remme. Foto’s vaan aajd controle- en LOS-perovskietfilms zien te zeen in de inserts vaan figure 3b en c. De LOS-perovskiet is nog altied zwart, onderwieles dat ‘t groetste deil vaan de controlefilm geel is gewore. De UV-ziechbare absorptiespectra vaan de oondergedompelde film zien in de Fig. getoend. 3b, c. We observeerde dat de absorptie die euvereinkaom mit α in de controlefilm dudelik aafnaom. Röntgenmetinge woorte oetgeveurd um de evolutie vaan de kristalstructuur te documentere. Nao 24 oor verlichting toonde de controleperovskiet ‘n sterk gael δ-fasesignaal (11,8°), onderwieles de LOS-perovskiet nog altied ‘n gooje zwarte fase behawwe (Figuur 3d).
UV-ziechbare absorptiespectra vaan tolueenoplossinge boe-in de controlefilm en LOS-film 24 oor laank oonder 1 zonleech woorte oondergedompeld. De insert toent ‘n flacon boe-in eder film in ‘n gelieke volume tolueen woort oondergedompeld. b UV-Vis-absorptiespectra vaan controlefilm en c LOS-film veur en nao 24 oor oonderdompeling oonder 1 zonleech. De insert toont un foto vaan de testfilm. d Röntgendiffractiepatrone vaan controle- en LOS-films veur en nao 24 oor vaan blootstelling. SEM-beelde vaan controlefilm e en film f LOS nao 24 oor blootstelling. Brongegeves weure verliend in de vörm vaan brongegevensbestande.
Ver höbbe scan-elektronmicroscopie (SEM)-metinge oetgeveurd um de microstructurele veranderinge vaan de perovskietfilm nao 24 oor verlichting te observere, zoe wie in figure 3e,f. In de controlefilm woorte groete korrels verwoes en umgezat in kleine naole, wat euverein kaom mit de morfologie vaan ‘t δ-faseproduk FAPbI3 (afb. 3e). Veur LOS-films blieve de perovskietkorrels in gooje sjtaot (Figuur 3f). De resultate bevestige dat ‘t verluus vaan I de euversjakeling vaan de zwarte fase nao de gele fase significant induceert, onderwieles dat PbC2O4 de zwarte fase stabiliseert, wat ‘t verlees vaan I veurkump. Umtot de vacantiedichtheid op ‘t oppervlak väöl hoeger is es in ‘t graanbulk,34 is dees fase woersjijneleker op ‘t oppervlak vaan ‘t graan. tegeliekertied jodium loslaote en VI vörme. Zoals veurspeld door DFT, kin LOS de vorming vaan VI-defecte remme en de migratie vaan I-ione nao ‘t perovskiete-oppervlak veurkoume.
Daonaeve woort ‘t effek vaan de PbC2O4-laog op de vochtigheidsbestandheid vaan perovskietfilms in de atmosferische loch (relatieve vochtigheid 30-60%) bestudeerd. Zoals in aanvullende figuur 9 te zien is, waor de LOS-perovskiet nao 12 daag nog altied zwart, onderwieles de controlefilm geel woort. In XRD-metinge toent de controlefilm ‘n sterke piek op 11,8° die euvereinkeump mit de δ-fase vaan FAPbI3, onderwieles dat de LOS-perovskiet de zwarte α-fase good behoudt (Aonvullende Figuur 10).
Steady-state fotoluminescentie (PL) en tied-opgeloste fotoluminescentie (TRPL) woorte gebruuk um ‘t passiveringseffek vaan loodoxalaat op ‘t oppervlak vaan perovskiet te bestudere. In Fig. Figuur 4a toont dat de LOS-film de PL-intensiteit heet verhoogd. In de PL-mappingbeeld is de intensiteit vaan de LOS-film euver ‘t ganse oppervlak vaan 10 × 10 μm2 hoeger es die vaan de controlefilm (Aonvullende Figuur 11), wat aongief dat PbC2O4 de perovskietfilm uniform passiveert. De levensduur vaan de drager weurt bepaold door de TRPL-verval te sjatte mit ein exponentiële functie (afb. 4b). De dragerleeftied vaan de LOS-film is 5,2 μs, wat väöl langer is es de controlefilm mit ‘n dragerleeftied vaan 0,9 μs, wat aonguuf op ‘n verminderde oppervlakte-neet-radiatieve recombinatie.
Steady-state PL en b-spectra vaan tijdeleke PL vaan perovskietfilms op glaassubstraote. c SP-curve vaan ‘t apparaat (FTO/TiO2/SnO2/perovskite/spiro-OMeTAD/Au). d EQE-spectrum en Jsc EQE-spectrum geïntegreerd vaan ‘t meis efficiënte apparaat. d Aafhankelikheid vaan de leechintensiteit vaan ‘n perovskietapparaat vaan ‘t Voc-diagram. f Typische MKRC-analyse mit behulp vaan un ITO/PEDOT:PSS/perovskite/PCBM/Au clean hole-apparaat. VTFL is de maximale spanning veur ‘t opvölle vaan de val. Op basis vaan dees data berekende we de valdichtheid (Nt). Brongegeves weure verliend in de vörm vaan brongegevensbestande.
Um ‘t effek vaan de loodoxalaatlaog op de prestaties vaan ‘t apparaat te oonderzeuke, woort ‘n traditionele FTO/TiO2/SnO2/perovskite/spiro-OMeTAD/Au contactstructuur gebruuk. Ver gebruke formamidinechloride (FACl) es toevoeging aon de perovskietprecursor in plaats vaan methylaminehydrochloride (MACl) um betere apparaatprestaties te bereike, aangezeen FACl betere kristalkwaliteit kin beeje en de bandgap vaan FAPbI335 kin veurkomme (zuug aanvullende figure 1 en 2 veur gedetailleerde vergelieking). ). 12-14). IPA woort gekoze es antioplosmiddel umtot ‘t ‘n baeter kristalkwaliteit en ‘n veurkäörsoriëntatie gief in perovskietfilms in vergelieking mit diethylether (DE) of chlorobenzeen (CB)36 (Aonvullende figure 15 en 16). De dikte vaan PbC2O4 woort zorgvuldig geoptimaliseerd um defectepassivering en ladingtransport good in balans te bringe door de oxaalzuurconcentratie aon te passe (Aonvullende Figuur 17). Dwarsdoorsnede SEM-beelde vaan de geoptimaliseerde controle- en LOS-apparate zien getoend in Aanvullende Figuur 18. Typische stroumdichtheidscurves (CD) veur controle- en LOS-apparate zien getoend in Figuur 4c, en de geëxtraheerde parameters zien in Aonvullende Tabel 3 gegeve. Maximale energieconversie-efficiëntie (PCE) controle-celle (34%, 24% JC, JC.). 25,75 mA cm-2 (25,74 mA cm-2), Voc 1,16 V (1,16 V) en omgekeerde (veurwaartse) scan. De vullingsfactor (FF) is 78,40% (76,69%). Maximum PCE LOS PSC is 25,39% (24,79%), Jsc is 25,77 mA cm-2, Voc is 1,18 V, FF is 83,50% (81,52%) vaan umgedrejd (veurwaarts scan nao). ‘t LOS-apparaat bereikde ‘n gecertificeerde fotovoltaïsche prestaties vaan 24,92% in ‘n vertrouwd fotovoltaïsch laboratorium vaan ‘n derde partij (Aonvullende Figuur 19). De externe kwantumefficiëntie (EQE) gaof respectievelik ‘n geïntegreerde Jsc vaan 24,90 mA cm-2 (controle) en 25,18 mA cm-2 (LOS PSC), wat good euverein kaom mit de Jsc gemete in ‘t standaard AM 1,5 G spectrum (Afb. .4d). ) . De statistische verdeiling vaan de gemete PCE’s veur controle- en LOS PSC’s is te zien in aonvullende figuur 20.
Zoals in Figuur 4e te zien is, woort de relatie tösse Voc en leechintensiteit beraekend um ‘t effek vaan PbC2O4 op trap-geassisteerde oppervlakterecombinatie te bestudere. De helling vaan de gepasde lijn veur ‘t LOS-apparaat is 1,16 kBT/sq, wat lieger is es de helling vaan de gepasde lijn veur ‘t controleapparaat (1,31 kBT/sq), wat bevestig dat LOS nuttig is veur ‘t remme vaan oppervlakterecombinatie door lokmiddele. Ver gebruke space charge current limiting (SCLC) technologie um de defectdichtheid vaan ‘n perovskietfilm kwantitatief te mete door de doonkere IV-kenmerke vaan ‘n gatapparaat (ITO/PEDOT:PSS/perovskite/spiro-OMeTAD/Au) te mete, zoe wie in de aafbeelding te zien is. 4f Show. De trapdichtheid weurt beraekend door de formule Nt = 2ε0εVTFL/eL2, boebij ε de relatieve diëlektrische constante vaan de perovsjietfilm is, ε0 de diëlektrische constante vaan ‘t vacuüm is, VTFL de beperkende spanning is veur ‘t opvölle vaan de val, e is de laojing, L is de dikte vaan de perovskietfilm (65 nrom). De defectdichtheid vaan ‘t VOC-apparaat is berekend op 1,450 × 1015 cm–3, wat lieger is es de defectdichtheid vaan ‘t controleapparaat, wat 1,795 × 1015 cm–3 is.
‘t Ongepakte apparaat woort getes op ‘t maximum krachpunt (MPP) oonder gans dagleech oonder stikstof um de prestatiestabiliteit op de lange termijn te oonderzeuke (Figuur 5a). Nao 550 oor bleef ‘t LOS-apparaat nog altied 92% vaan zien maximale efficiëntie behawwe, terwijl de prestaties vaan ‘t controleapparaat waore gedaald tot 60% vaan zien oorspronkeleke prestaties. De verdeiling vaan eleminte in ‘t awwe apparaat woort gemete door time-of-flight secundaire ionmassaspectrometrie (ToF-SIMS) (Afb. 5b, c). ‘n Groete huiping vaan jodium is te zien in ‘t baoveste goudcontrolegebeed. De umstandeghede vaan besjerming vaan inert gas slute milieuverbrekende factore wie voch en zuurstof oet, wat suggereert dat interne mechanismes (d.w.z. ionmigratie) verantweurdelek zien. Volgens ToF-SIMS-resultate woorte I- en AuI2--ione gedetecteerd in de Au-elektrode, wat de diffusie vaan I vaan de perovskiet nao Au aonguuf. De signaalintensiteit vaan I- en AuI2--ione in ‘t controleapparaat is ongeveer 10 kier hoeger es dee vaan ‘t VOC-monster. Veurige rapporte höbbe aongetoond dat ionpermeatie kin leie tot ‘n snelle aafname vaan de gaatgeleiding vaan spiro-OMeTAD en chemische corrosie vaan de baoveste elektrodelaog, boedoor ‘t interfaciale kontak in ‘t apparaat weurt verslechterd37,38. De Au-elektrode woort weggehaold en de spiro-OMeTAD-laog woort vaan ‘t substraot gereinigd mèt ‘n chlorobenzeen-oplossing. Vervolgens höbbe we de film gekarakteriseerd mit behulp vaan grazing-incidentie-röntgendiffractie (GIXRD) (Figuur 5d). De resultate toene aon dat de controlefilm ‘n dudelike diffractiepiek heet bij 11,8°, onderwieles dat in ‘t LOS-monster gein nuie diffractiepiek versjient. De resultate toene aon dat groete verluus vaan I-ione in de controlefilm leie tot de generatie vaan de δ-fase, terwijl in de LOS-film dit proces dudelik weurt geremd.
575 oor doorloupend MPP-tracking vaan ‘n onverzegeld apparaat in ‘n stikstof-atmosfeer en 1 zonleech zoonder ‘n UV-filter. ToF-SIMS-verdeiling vaan b I- en c AuI2--ione in ‘t LOS MPP-controleapparaat en ‘t agingapparaat. De tinte vaan geel, greun en oranje komme euverein mit Au, Spiro-OMeTAD en perovskiet. d GIXRD vaan perovskietfilm nao de MPP-test. Brongegeves weure verliend in de vörm vaan brongegevensbestande.
Temperatuur-afhankelike geleidingsvermoge woort gemete um te bevestige dat PbC2O4 ionmigratie koos remme (Aonvullende figuur 21). De activatie-energie (Ea) vaan ionmigratie weurt bepaold door de verandering in geleidingsvermoge (σ) vaan de FAPbI3-film bij versjèllende temperature (T) te mete en door de Nernst-Einstein-relatie te gebruke: σT = σ0exp(−Ea/kBT), boebij σ0 ‘n constante is, kB de Boltzmann-constante is. Ver kriege de waarde vaan Ea vaan de helling vaan ln(σT) versus 1/T, wat 0,283 eV is veur de controle en 0,419 eV veur ‘t LOS-apparaat.
Samevattend, veer beeje un theoretisch raamwerk um de aafbraokpaad vaan FAPbI3-perovskiet en de invlood vaan versjèllende defecte op de energiebarrière vaan de α-δ-fase-euvergaank te identificere. Onder dees defecte weurt theoretisch veurspeld dat VI-defecte gemekkelik ‘n fase-euvergaank vaan α nao δ veroorzake. ‘n In water-onoplosbare en chemisch stabiele dichte laog PbC2O4 weurt geïntroduceerd um de α-fase vaan FAPbI3 te stabilisere door de vörming vaan I-vacanties en de migratie vaan I-ione te remme. Dees strategie vermindert de interfaciale neet-straolende recombinatie significant, verhoeg de efficiëntie vaan de zonnecel tot 25,39% en verbetert de bedriefsstabiliteit. Ozze resultate geve leiding veur ‘t bereike vaan efficiënte en stabiele formamidine PSC’s door de door defecte geïnduceerde α-nao-δ-fase-euvergaank te remme.
Titanium(IV) isopropoxide (TTIP, 99,999%) woort gekoch vaan Sigma-Aldrich. Zoutzuur (HCl, 35,0–37,0%) en ethanol (waterloos) woorte gekoch vaan Guangzhou Chemical Industry. SnO2 (15 wt% tin(IV) oxide colloïdale dispersie) woort gekoch vaan Alfa Aesar. Lood(II)jodide (PbI2, 99,99%) woort gekoch vaan TCI Shanghai (China). Formamidinejodide (FAI, ≥99,5%), formamidinechloride (FACl, ≥99,5%), methylaminehydrochloride (MACl, ≥99,5%), 2,2′,7,7′-tetrakis-(N , N-di-p) )-methoxyaniline)-9′-spirofluore (Spiro-OMeTAD, ≥99,5%), lithium bis(trifluoromethane)sulfonylimide (Li-TFSI, 99,95%), 4-tert -butylpyridine (tBP, 96%) woorte gekoch vaan Xi'an Polymer Light Technology Company (China). N,N-dimethylformamide (DMF, 99,8%), dimethylsulfoxide (DMSO, 99,9%), isopropylalcohol (IPA, 99,8%), chlorobenzeen (CB, 99,8%), acetonitriel (ACN). Gekoch bij Sigma-Aldrich. Oxaalzuur (H2C2O4, 99,9%) woort gekoch vaan Macklin. Alle chemicalieje woorte gebruuk wie ze woorte ontvange zoonder aandere aonpassinge.
ITO- of FTO-substrate (1,5 × 1,5 cm2) woorte respectievelik 10 min lang mit wasmiddel, aceton en ethanol mit wasmiddel, acetoon en ethanol, en vervolgens oonder ‘n stikstofstroom gedroog. ‘n Dichte TiO2-barrièrelaog woort aafgezat op ‘n FTO-substraat mit behulp vaan ‘n oplossing vaan titanium diisopropoxybis(acetylacetonaat) in ethanol (1/25, v/v) aafgezat bij 500 °C veur 60 min. De SnO2-colloïdale dispersie woort verdund mit gedeioniseerd water in un volumeverhouding vaan 1:5. Op un zuuver substraot dat 20 minute mit UV-ozon woort behanjeld, woort un dunne film SnO2-nanodeilkes 30 seconde bie 4000 rpm aafgezat en vervolgens 30 minute bie 150 °C veurverhit. Veur de perovsjietprecursoroplossing woorte 275,2 mg FAI, 737,6 mg PbI2 en FACl (20 mol%) opgelos in DMF/DMSO (15/1) gemengde oplosmiddel. De perovskietlaag woort veurbereid door 40 μL perovskietprecursoplossing bovenop de mit UV-ozon behandelde SnO2-laog mit 5000 rpm in de umgevingsloch gedurende 25 s te centrifugere. 5 seconde nao de lètste keer woort 50 μL MACl IPA-oplossing (4 mg/mL) snel es antioplosmiddel op ‘t substraot gevalle. Daonao woorte de verse bereide films 20 min bij 150°C en daonao 10 min bij 100°C gegloejd. Nao ‘t aafkeule vaan de perovskitefilm tot kamertemperatuur, woort de H2C2O4-oplossing (1, 2, 4 mg opgelos in 1 mL IPA) gecentrifugeerd bij 4000 rpm veur 30 s um ‘t perovskiete-oppervlak te passivere. ‘n Spiro-OMeTAD-oplossing, bereid door 72,3 mg spiro-OMeTAD, 1 ml CB, 27 μl tBP en 17,5 μl Li-TFSI (520 mg in 1 ml acetonitriel) te minge, woort op de film gespind gecoat mit 4000 rpm binne 30 s. Oeteindelik woort ‘n 100 nm dikke Au-laog in ‘n vacuüm verdamp mit ‘n snelheid vaan 0,05 nm/s (0~1 nm), 0,1 nm/s (2~15 nm) en 0,5 nm/s (16~100 nm). ).
De SC-prestaties vaan de perovskiet-zonnecelle woorte gemete met behulp vaan ‘n Keithley 2400 meter oonder zonnesimulatorverlichting (SS-X50) bij ‘n leechintensiteit vaan 100 mW/cm2 en gecontroleerd met behulp vaan gekalibreerde standaard siliciumzonnecelle. Tenzij anders vermeld, woorte SP-curves gemete in ‘n mèt stikstof gevulde handschoenkis bij kamertemperatuur (~25°C) in veur- en achterwaartse scanmodus (spanningsstap 20 mV, vertragingstied 10 ms). ‘n Sjeemmasker woort gebruuk um ‘n effectief oppervlak vaan 0,067 cm2 veur de gemete PSC te bepaole. EQE-metinge woorte oetgeveurd in de umgevingsloch mit behulp vaan un PVE300-IVT210-systeem (Industrial Vision Technology(s) Pte Ltd) mit monochromatisch leech geriech op ut apparaat. Veur de stabiliteit vaan ‘t apparaat woort ‘t teste vaan neet-geïnkapselde zonnecelle oetgeveurd in ‘n stikstofhandschoenboks bij ‘n druk vaan 100 mW/cm2 zoonder ‘n UV-filter. ToF-SIMS weurt gemete met behölp vaan PHI nanoTOFII time-of-flight SIMS. Deepteprofilering woort verkrege mit behölp vaan un 4 kV Ar-ionpistool mit un oppervlak vaan   400×400 μm.
Röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) metinge woorte oetgeveurd op un Thermo-VG Scientific systeem (ESCALAB 250) met behulp vaan monochromatiseerd Al Kα (veur XPS-modus) bij un drök vaan 5,0 × 10–7 Pa. Scanning-elektronmicroscopie (SEM) woort oetgeveurd op un JESM-JOL-JJ-636-systeem. De oppervlaktemorfologie en de ruweheid vaan de perovskietfilms woorte gemete met behulp vaan atomische krachmicroscopie (AFM) (Bruker Dimension FastScan). STEM en HAADF-STEM weure gehawwe op de FEI Titan Themis STEM. UV-Vis-absorptiespectra woorte gemaete met behulp vaan un UV-3600Plus (Shimadzu Corporation). Ruimteladingsbeperkende sjtroum (SCLC) woort geregistreerd op un Keithley 2400 meter. Steady-state fotoluminescentie (PL) en tied-opgeloste fotoluminescentie (TRPL) vaan dragerleeftiedsverval woorte gemete met behulp vaan ‘n FLS 1000 fotoluminescentiespectrometer. PL-mappingbeelde woorte gemete met behulp vaan un Horiba LabRam Raman-systeem HR Evolution. Fourier-transform infraroedspectroscopie (FTIR) woort oetgeveurd mit behulp vaan un Thermo-Fisher Nicolet NXR 9650-systeem.
In dit werk gebruke we de SSW-paadmonsteringsmethode um de fase-euvergangspaad vaan α-fase nao δ-fase te bestudere. In de SSW-methode weurt de beweging vaan ‘t oppervlak vaan potentieel energie bepaold door de riechting vaan de willekeurige zachte modus (twiede aafgeleid), wat ‘n gedetailleerde en objectieve studie vaan ‘t oppervlak vaan potentieel energie meugelek maak. In dit werk weurt paadmonstering oetgeveurd op ‘n 72-atome supercel, en mie es 100 initiële/eindstaot (IS/FS) pare weure verzameld op ‘t DFT-niveau. Op basis vaan de IS/FS paarwijze gegevensset kin ‘t paad dat de ierste structuur en de oeteindelike structuur verbint weure bepaold door de correspondentie tusse atome, en daonao weurt de twie-weegbeweging langs ‘t variabele einheidsoppervlak gebruuk um de euvergangstoestandsmethode vloeiend te bepaole. (VK-DESV). Nao ‘t zeuke nao de euvergangstoestand, kin ‘t paad mit de liegste barrière weure bepaold door de energiebarrières te rangsjikke.
Alle DFT-berekeninge woorte oetgeveurd mit behulp vaan VASP (versie 5.3.5), boe de elektron-ion interacties vaan C, N, H, Pb en I atome weure weergegeve door ‘n geprojecteerde versterkte golf (PAW) sjema. De oetwisselingscorrelatiefunctie weurt besjreve door de algemeine gradiëntsjatting in de Perdue-Burke-Ernzerhoff-parametrisatie. De energielimiet veur vlakke golve woort ingesteld op 400 eV. ‘t Monkhorst-Pack k-puntraster heet ‘n gruutde vaan (2 × 2 × 1). Veur alle structure woorte raster- en atomische posities volledeg geoptimaliseerd totdat ‘t maximale spanningscomponent oonder 0,1 GPa waor en ‘t maximale krachcomponent oonder 0,02 eV/Å waor. In ‘t oppervlaktemodel heet ‘t oppervlak vaan FAPbI3 4 laoge, de oonderste laog heet vaste atome die ‘t liechaam vaan FAPbI3 simulere, en de drie baoveste laoge kinne vrij bewege tijdens ‘t optimalisatieproces. De PbC2O4-laog is 1 ML dik en bevindt zich op ‘t I-terminale oppervlak vaan FAPbI3, boe Pb is geboonde aon 1 I en 4 O.
Veur mie informatie euver ‘t ontwerp vaan ‘t oonderzeuk, zuug ‘t Natural Portfolio Report Abstract dat bij dit artikel is gekoppeld.
Alle data die tijdens dit oonderzeuk zien verkrege of geanalyseerd, zien opgenome in ‘t gepubliceerde artikel, zoewie in de ondersteunende informatie en ruwe databestande. De ruwe data die in dit oonderzeuk zien gepresenteerd, zien besjikbaar op https://doi.org/10.6084/m9.figshare.2410016440. Brongegevens zien veur dit artikel verstrek.
Green, M. et al. Efficiëntietabelle veur zonnecellen (57e ed.). program. foto-elektries. bron. applicatie. 29, 3–15 (2021).
Parker J. et al. De greuj vaan perovskietlaoge controlere mit behulp vaan vlöchtige alkyl ammoniumchloride. Natuur 616, 724–730 (2023).
Zhao Y. et al. Inactief (PbI2)2RbCl stabiliseert perovskietfilms veur hoeg-efficiëntie zonnecelle. Science 377, 531–534 (2022).
Tan, K. et al. Umgedrejde perovskietzonnecelle mit behulp vaan dimethylacridinyldopant. Natuur, 620, 545–551 (2023).
Han, K. et al. Enkelkristallijn formamidine loodjodide (FAPbI3): inzich in structurele, optische en elektrische eigesjappe. biewoord. Matt. 28, 2253–2258 (2016).
Massey, S. et al. Stabilisatie vaan de zwarte perovskietfase in FAPbI3 en CsPbI3. AKS Energy Communications. 5, 1974–1985 (2020).
U, JJ, et al. Efficiënte perovskietzonnecelle door verbeterd dragerbeheer. Natuur 590, 587–593 (2021).
Saliba M. et al. De invoering vaan rubidiumkatione in perovskietzonnecelle verbetert de fotovoltaïsche prestaties. Science 354, 206–209 (2016).
Saliba M. et al. Triple-cation perovskietcesiumzonnecelle: verbeterde stabiliteit, reproduceerbaarheid en hoege efficiëntie. energie-omgeving. de wetensjap. 9, 1989–1997 (2016).
Cui X. et al. Recente veuroetgaank in FAPbI3-fasestabilisatie in hoogprestatie perovskietzonnecelle Sol. RRL 6, 2200497 (2022).
Delagetta S. et al. Gerationaliseerde fotogeïnduceerde fasesjeijing vaan gemengde halogenide organisch-inorganisch perovskiete. Nat. kommuuniesere. 8, 200 (2017).
Slotcavage, DJ et al. Door leech geïnduceerde fasesjeiing in halogeenperovskietabsorbers. AKS Energy Communications. 1, 1199–1205 (2016).
Chen, L. et al. Intrinsieke fasestabiliteit en intrinsieke bandgap vaan formamidine lead triiodide perovskite enkelkristal. Anjiva. Chemisch. internationaliteit. Ed. 61. e202212700 (2022).
Duinsti, EA etc. Begriep de ontbinding vaan methyleendiammonium en de rol devaan in de fasestabilisatie vaan loodtriiodideformamidine. J. Chem. Teef. 18, 10275–10284 (2023).
Lu, HZ et al. Effisjente en stabiele dampaafzètting vaan zwarte perovskietzonnecelle FAPbI3. Science 370, 74 (2020).
Doherty, TAS enz. Stabiele gekantelde octaëdrale halogeenperovsjiete onderdrukke de gelokaliseerde vörming vaan fases mit beperkde kenmerke. Science 374, 1598–1605 (2021).
Ho, K. et al. Mechanismes vaan transformatie en aafbraok vaan formamidinekorrels en cesium- en loodjodideperovskiete oonder invlood vaan voch en leech. AKS Energy Communications. 6, 934–940 (2021).
Zheng J. et al. Ontwikkeling vaan pseudohalide anione veur α-FAPbI3 perovskiet zonnecelle. Natuur 592, 381–385 (2021).