Materialforskare strävar efter att möjliggöra ytfälla-medierad icke-strålningsrekombination för att konstruera högeffektiva metallhalogenid perovskit solceller (solceller). Eftersom improduktiv laddningsrekombination vid ytdefekter kan begränsa effektiviteten hos hybridperovskitsolceller, forskare kan passivera defekterna (inducera en syra-bas kemisk behandling) genom att använda små molekylära bindningar. Den joniska karaktären hos perovskitgitter kan tillåta passivering av molekylära defekter genom interaktioner mellan funktionella grupper och ytdefekter. Dock, det finns en brist på djupgående förståelse för hur molekylära konfigurationer kan påverka passiveringseffektiviteten för att underlätta rationell molekylär design.

I en ny rapport om Vetenskap , Rui Wang och ett tvärvetenskapligt forskarteam vid institutionerna för fysik, Materialvetenskap och teknik, Nanoteknik, Chemistry &Biochemistry och Institute of Functional Nano &Soft Materials i USA och Kina, undersökte den kemiska miljön för en funktionell grupp aktiverad för defektpassivering. De genomförde experiment för att uppnå förbättrad effektomvandlingseffektivitet för perovskit solceller med teofyllin, koffein- och teobrominföreningar som bär karbonyl (C=O) och aminogrupper (N-H). I teofyllinbehandlade experiment, vätebindning av aminoväte till ytjodid optimerade karbonylinteraktionen med en bly (Pb) antisitedefekt för att förbättra effektiviteten hos en perovskitcell från 21 till 22,6 procent.

Materialforskare implementerar defektpassivering som en viktig strategi för att minska improduktiv laddningsrekombination och öka effektomvandlingseffektiviteten (PCE) av polykristallina metallhalogenidperovskit tunnfilmssolceller för solceller. Baserat på Lewis syra-baskemi, den joniska naturen hos perovskitgittret kan underlätta molekylär passivering genom koordinatbindning. Baserat på regler för molekylär design, forskare kan välja molekyler med optimala bindningskonfigurationer för sådana passiveringsaktiviteter för ytdefekter. I det här arbetet, Wang et al. demonstrerade hög effektivitet för perovskite (PV) enheter via defektidentifiering och genomförde rationell design och omfattande undersökningar av den kemiska miljön som omger den aktiva funktionella gruppen för defektpassivering. I högkvalitativa perovskit polykristallina tunna filmer med enskiktiga korn, de invändiga defekterna var försumbara jämfört med ytdefekterna.

Forskargruppen använde beräkningar av densitetsfunktionsteori (DFT) för att jämföra bildningsenergier för utvalda inhemska defekter på perovskitytan. Eftersom bandkanterna på perovskiterna är sammansatta av bly (Pb) och jod (I) orbitaler, Wang et al. specifikt undersökt Pb och I-involverande punktdefekter, Pb ledig tjänst (V _Pb ), Jag ledig (V _jag ) och Pb-I antisitdefekter. Med hjälp av röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS), forskargruppen bekräftade att ytan av den tillverkade tunnfilmen av perovskit som skulle syntetiseras i en tvåstegsmetod var Pb-rik. Använd sedan toppskiktsvyn av atomära strukturer, de studerade ytdefekter, följt av metoden dispersion correction 3 (DFT-D3) för att beräkna defektbildningsenergier (DFE). Baserat på resultaten, forskargruppen fokuserade på interaktionen mellan yt-Pb och antisitedefekt för att överväga kandidatmolekyler för defektpassivering. För detta, de valde en liten uppsättning molekyler som delade identiska funktionella grupper, även om med strategiskt varierande kemiska strukturer som inkluderar teofyllin, koffein och teobromin, att interagera med defekterna.

Dessa molekyler finns vanligtvis i naturliga produkter som te, kaffe och choklad, och är därför lättillgängliga. Molekylerna var också icke-flyktiga till sin natur, vilket gör dem lämpliga för interaktioner med defekter i perovskit för långsiktig enhetsstabilitet. Wang et al. inkorporerade teofyllin på ytan av en tunn perovskitfilm via en efterbehandlingsteknik för att förbättra PCE (effektkonverteringseffektiviteten) från 21 procent till 23 procent i PV-enheterna. De testade strömtäthets-spänningskurvorna för PV-enheterna med och utan teofyllinbehandling och krediterade förbättrad öppen kretsspänning (V _OC ) till ytpassivering av teofyllin på grund av Lewis-bas-syra-interaktioner mellan C=O-gruppen på teofyllin och antisit-Pb-ytdefekterna. De jämförde sedan resultaten av en teofyllinbehandlad enhet med en koffeinbehandlad perovskite PV-enhet.

Senare, Wang et al. lokaliserat N-H-gruppen bredvid C=O (karbonyl)-gruppen på samma sexledade ring i teobromin för att producera ett kortare avstånd mellan de två grupperna, följt av att inaktivera rumsligt effektiva interaktioner för att bilda en ännu svagare interaktionsenergi (E _int ) av -1,1 eV. Resultaten betonade vikten av konstruktiv konfiguration av N-H- och C=O-grupper för att tillåta samverkande multisite-interaktioner och tillåta synergistisk passiveringseffekt för att bilda effektiva och stabila perovskiter. Wang et al. studerade variationen i C=O och PbI ₂ -terminerad perovskit ytinteraktion med olika konfigurationer med hjälp av Fourier-transform infraröd (FTIR) spektroskopi. De undersökte ytpassiveringseffekter av de tre molekylerna med olika konfigurationer med fotoluminescens (PL) och observerade att PL-intensiteten ökade märkbart efter teofyllinbehandling. De observerade också ökad PL-intensitet efter koffeinbehandling, som inte var lika stark som teofyllin och minskad PL-intensitet för teobromin jämfört med referensmaterialet; de krediterade detta till den destruktiva molekylära konfigurationen av passiveringsmedel för att producera ökade laddningsrekombinationsställen.

Forskarna härledde sedan fälltäthet av stater (tDOS), dvs. antalet stater som är ockuperade i systemet, inom tillverkade enheter via vinkelfrekvensberoende kapacitans som en funktion av defektenergin. Resultaten visade en minskning av fälltillstånden för teofyllin- och koffeinbehandlade perovskitenheter jämfört med referensmaterialet. I kontrast, teobrominbehandling inducerade fler fälltillstånd, överensstämmer med den observerade minskningen av PCE. Wang et al. bekräftade förändringen i tDOS med olika ytbehandlingar med hjälp av teoretisk modellering och genomförd elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS) karakterisering för att förstå bärartransportprocesser under belysning vid gränssnittet.

Apparaten med ytbehandling av teofyllin hade den minsta impedansen; betecknar en väsentligt undertryckt laddningsrekombination vid gränssnittet, härrörande från reducerade ytdefekttillstånd. De koffeinbehandlade enheterna registrerade en större impedans medan teobrominbehandlade enheter visade en ännu större impedans. För att förstå perovskitgränssnittet behandlat med teofyllin, forskarna genomförde ytterligare karakteriseringar med hjälp av ultraviolett fotoelektronspektroskopi (UPS) för att mäta ytbandets struktur. Följt av atomic force microscopy (AFM) kombinerat med Kelvin probe force microscopy (KPFM) för att förstå inverkan av teofyllin på ytmorfologi och ytpotential. De teofyllinbehandlade ytorna uppvisade högre elektronisk kemisk potential jämfört med referensfilmen samtidigt som de bibehöll den oförändrade ytmorfologin.

Perovskitfilmen visade en något lång bärarlivslängd efter teofyllinbehandling samtidigt som den observerade en snabbare sönderfallsprofil vid tillsats av ett håltransporterande skikt ovanpå filmen för att minska rekombination och öka absorptionsegenskaperna. Den förbättrade bärardynamiken uppstod på grund av effektiv ytpassivering med teofyllin. När Wang et al. ytterligare kännetecknad ytan med användning av tvärsnittselektronstråleinducerad ström (EBIC) mätningar; teofyllinbehandlade enheter uppvisade högre EBIC-ström jämfört med referensenheten för att indikera förbättrad bäraruppsamlingseffektivitet.

Teofyllinbehandling möjliggjorde också minimalt sönderfall i perovskitskikten för att resultera i färre ytrekombinationsställen och visade försumbar hysteres (mikroskopiska ytdefekter). Den förbättrade lagringsstabiliteten hos teofyllinbehandlade anordningar skulle kunna bibehålla> 95 procent av sin ursprungliga PCE vid förvaring under omgivande luftfuktighet i 60 dagar. På det här sättet, Rui Wang och kollegor uppnådde stabil effektkonverteringseffektivitet för PV-enheter efter att ha inkorporerat teofyllin för långsiktig driftstabilitet.

© 2020 Science X Network