DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202311970
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38198824
تاريخ النشر: 2024-01-11
المؤلف: Qi Cao وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد البيروفسكايت وتطبيقاتها
نظرة عامة
تبحث الدراسة في استخدام استراتيجية Co-SAM (طبقة أحادية ذاتية التجميع المشتركة) لتعزيز أداء خلايا الشمسية بيروفسكايت المقلوبة (PSCs) من خلال معالجة مشكلات الواجهة المدفونة المرتبطة بـ NiO x. تقدم الدراسة تركيبة جديدة من 4-(3,6-ثنائي ميثيل-9H-كاربازول-9يل)حمض الفوسفونيك (Me-4PACz) وكلوريد الفوسفوريل كولين (PC) لتشكيل Co-SAM. لا تعمل هذه الطريقة على تحسين تغطية الطبقة الأحادية وتقليل تيار التسرب فحسب، بل تعمل أيضًا على تمرير العيوب بفعالية عند الواجهة المدفونة لفيلم البيروفسكايت. تمنع مجموعة الفوسفات وأيونات الكلوريد في PC العيوب السطحية على NiO x، بينما تملأ أيونات الأمونيوم الرباعية وCl – الفراغات في البيروفسكايت، مما يعزز نمو البلورات ويعزز نقل الحاملات.
تكشف النتائج عن زيادة كبيرة في كفاءة تحويل الطاقة (PCE)، حيث ارتفعت القيم المتوسطة من 22.50 ± 0.41% إلى 24.38 ± 0.36%، ووصلت كفاءة البطل إلى 25.09%. بالإضافة إلى ذلك، تظهر الأجهزة المعدلة استقرارًا ملحوظًا، حيث تحتفظ بـ 93% من كفاءتها الأولية بعد 1000 ساعة من التشغيل تحت إضاءة شمس واحدة. تؤكد هذه الدراسة على فعالية تعديل Co-SAM على NiO x في تحسين كل من الكفاءة والاستقرار لخلايا PSCs، مما يقدم استراتيجية واعدة للتقدم في تكنولوجيا خلايا الشمس.
مقدمة
تناقش المقدمة دور NiO$_x$، وهو شبه موصل غير عضوي من النوع p، كطبقة نقل ثقوب (HTL) في خلايا الشمسية بيروفسكايت المقلوبة والتانديم (PSCs). لقد أظهر NiO$_x$ كفاءة تحويل طاقة معتمدة (PCE) تبلغ 25.58%، على الرغم من أن أعلى كفاءة موثقة هي 26.14%. تسهم التحديات مثل فراغات الأكسجين، وعيوب أيونات المعادن غير المنسقة، والعيوب على مقياس دون الميكرون في عدم الكفاءة وعدم الاستقرار، خاصة من خلال إعادة التركيب غير الإشعاعي عند واجهة NiO$_x$/بيروفسكايت. يعد معالجة هذه القضايا أمرًا ضروريًا لتعزيز أداء خلايا PSCs المقلوبة.
لتخفيف مشكلات الواجهة، تم استكشاف استراتيجيات مختلفة، بما في ذلك استخدام الطبقات الأحادية ذاتية التجميع (SAMs) والأملاح غير العضوية. تشمل التقدمات الملحوظة استخدام نانو كريستالات NiO$_x$ المعالجة بـ SAM، والتي حسنت استخراج الثقوب وحققت PCE قدره 24.7%. بالإضافة إلى ذلك، أدى تطبيق Me-4PACz في تقاطعات NiO$_x$/FAPbI$_3$ إلى PCE قدره 23.56%. على الرغم من فعالية SAMs الحالية، فإن القيود مثل العوائق الاستيركية تعيق تمرير العيوب بشكل مثالي. تقترح الدراسة نهجًا جديدًا عن طريق إضافة Me-4PACz مع كلوريد الفوسفوريل كولين (PC) لتشكيل Co-SAM، مما يعزز تغطية الطبقة الأحادية ويعالج العيوب المدفونة. أسفر هذا التعديل عن كفاءة قصوى قدرها 25.09% واستقرار تشغيلي محسّن، حيث احتفظت بـ 93% من الكفاءة الأولية بعد 1000 ساعة من الإضاءة المستمرة.
النتائج
تظهر نتائج هذه الدراسة فعالية Co-SAM في تعزيز أداء خلايا الشمسية بيروفسكايت (PSCs) من خلال تحسين الخصائص السطحية لطبقة نقل الثقوب NiO$_x$ وتسهيل بلورة أفضل لطبقة البيروفسكايت. يشكل Co-SAM، الذي يتضمن الفوسفوكولين (PC)، طبقة أحادية كثيفة وموحدة على NiO$_x$، مما يمرر العيوب بفعالية ويعزز التفاعل مع طبقة البيروفسكايت. تكشف تقنيات التوصيف مثل مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، ومطيافية الإلكترونات بالأشعة السينية (XPS)، والتشتت بالأشعة السينية (XRD) عن تفاعلات كيميائية كبيرة بين PC وNiO$_x$، مما يؤدي إلى تحسين محاذاة نطاق الطاقة وتقليل خشونة السطح، مما يعزز بدوره نقل الثقوب ويقلل من خسائر إعادة التركيب غير الإشعاعي.
تظهر الأداء الفوتوفولتي لخلايا PSCs المعدلة بـ Co-SAM زيادة ملحوظة في كفاءة تحويل الطاقة (PCE)، حيث ارتفعت من 23.42% إلى 25.09% تحت ظروف المسح العكسي، إلى جانب تحسينات في جهد الدائرة المفتوحة (V$_{OC}$) وكثافة تيار الدائرة القصيرة (J$_{SC}$). تظهر الأجهزة المعالجة بـ Co-SAM استقرارًا معززًا، حيث تحتفظ بحوالي 93% من PCE الأولية بعد 1000 ساعة من التشغيل، مقارنة بـ 88% فقط للأجهزة الضابطة. تؤكد هذه النتائج على إمكانية استخدام Co-SAM كاستراتيجية قابلة للتطبيق لتحسين الخصائص الواجهة لخلايا PSCs، مما يؤدي إلى تحسين الكفاءة والاستقرار التشغيلي من خلال تمرير العيوب بشكل فعال وتعزيز ديناميات البلورة.
نقاش
في هذه الدراسة، يستكشف المؤلفون تطبيق طبقة أحادية ذاتية التجميع (Co-SAM) تتكون من الفوسفوكولين (PC) وMe-4PACz على سطح أكسيد النيكل (NiO\(_x\)) لتعزيز أداء خلايا الشمسية بيروفسكايت (PSCs). يخفف دمج مجموعات الفوسفات وأيونات الكلوريد من PC بشكل فعال العيوب السطحية على NiO\(_x\)، بينما تساعد أيونات الأمونيوم الرباعية وأيونات الكلوريد في معالجة الفراغات للأيونات العضوية والهالوجينات في قاعدة فيلم البيروفسكايت. لا يعزز هذا النهج Co-SAM نمو بلورات البيروفسكايت فحسب، بل يمرر أيضًا العيوب المدفونة، ويقلل من إعادة التركيب غير الإشعاعي، ويعزز محاذاة نطاق الطاقة لتحسين نقل الحاملات، ويخفف من الضغط المتبقي داخل طبقة البيروفسكايت.
تشير النتائج إلى تحسين كبير في أداء الجهاز، حيث زادت كفاءة تحويل الطاقة (PCE) المتوسطة من 22.50 ± 0.41% إلى 24.38 ± 0.36%، وبلغت الكفاءة القصوى 25.09%. علاوة على ذلك، تظهر الأجهزة استقرارًا ملحوظًا، حيث تحتفظ بـ 93% من كفاءتها الأولية بعد 1000 ساعة من التشغيل المستمر تحت إضاءة شمس واحدة. تؤكد هذه الدراسة على فعالية تعديل Co-SAM على طبقات نقل الثقوب NiO\(_x\) في تعزيز الكفاءة العامة والاستقرار لخلايا PSCs.
DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202311970
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38198824
Publication Date: 2024-01-11
Author(s): Qi Cao et al.
Primary Topic: Perovskite Materials and Applications
Overview
The research investigates the use of a Co-SAM (co-self-assembled monolayer) strategy to enhance the performance of inverted perovskite solar cells (PSCs) by addressing the buried interface issues associated with NiO x. The study introduces a novel combination of 4-(3,6-dimethyl-9H-carbazol-9yl)butyl]phosphonic acid (Me-4PACz) and phosphorylcholine chloride (PC) to form the Co-SAM. This approach not only improves monolayer coverage and reduces leakage current but also effectively passivates defects at the buried interface of the perovskite film. The phosphate group and chloride ions in PC inhibit surface defects on NiO x, while quaternary ammonium ions and Cl – fill vacancies in the perovskite, promoting crystal growth and enhancing carrier transmission.
The findings reveal a significant increase in power conversion efficiency (PCE), with average values rising from 22.50 ± 0.41% to 24.38 ± 0.36%, and a champion efficiency reaching 25.09%. Additionally, the modified devices demonstrate remarkable stability, retaining 93% of their initial efficiency after 1000 hours of operation under one-sun illumination. This research underscores the effectiveness of Co-SAM modification on NiO x in improving both the efficiency and stability of PSCs, presenting a promising strategy for future advancements in solar cell technology.
Introduction
The introduction discusses the role of NiO$_x$, an inorganic p-type semiconductor, as a hole transport layer (HTL) in inverted and tandem perovskite solar cells (PSCs). NiO$_x$ has demonstrated a certified power conversion efficiency (PCE) of 25.58%, although the highest authenticated PCE is 26.14%. Challenges such as oxygen vacancies, uncoordinated metal ion defects, and submicron-scale defects in the perovskite material contribute to inefficiencies and instability, particularly through nonradiative recombination at the NiO$_x$/perovskite interface. Addressing these issues is essential for enhancing the performance of inverted PSCs.
To mitigate interface problems, various strategies have been explored, including the use of self-assembled monolayers (SAMs) and inorganic salts. Notable advancements include the use of SAM-processed NiO$_x$ nanocrystals, which improved hole extraction and achieved a PCE of 24.7%. Additionally, the application of Me-4PACz in NiO$_x$/FAPbI$_3$ junctions led to a PCE of 23.56%. Despite the effectiveness of current SAMs, limitations such as steric hindrance hinder optimal passivation of defects. The study proposes a novel approach by doping Me-4PACz with phosphorylcholine chloride (PC) to form a Co-SAM, enhancing monolayer coverage and addressing buried defects. This modification resulted in a maximum efficiency of 25.09% and improved operational stability, maintaining 93% of initial efficiency after 1000 hours of continuous illumination.
Results
The results of this study demonstrate the effectiveness of Co-SAM in enhancing the performance of perovskite solar cells (PSCs) by improving the surface properties of the NiO$_x$ hole transport layer (HTL) and facilitating better crystallization of the perovskite layer. Co-SAM, which incorporates phosphocholine (PC), forms a dense and uniform monolayer on NiO$_x$, effectively passivating defects and enhancing the interaction with the perovskite layer. Characterization techniques such as Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and X-ray diffraction (XRD) reveal significant chemical interactions between PC and NiO$_x$, leading to improved energy band alignment and reduced surface roughness, which in turn promotes better hole transport and reduces nonradiative recombination losses.
The photovoltaic performance of PSCs modified with Co-SAM shows a notable increase in power conversion efficiency (PCE), rising from 23.42% to 25.09% under reverse scan conditions, alongside improvements in open-circuit voltage (V$_{OC}$) and short-circuit current density (J$_{SC}$). The Co-SAM-treated devices exhibit enhanced stability, retaining approximately 93% of their initial PCE after 1000 hours of operation, compared to only 88% for control devices. These findings underscore the potential of Co-SAM as a viable strategy for optimizing the interfacial properties of PSCs, leading to improved efficiency and operational stability through effective defect passivation and enhanced crystallization dynamics.
Discussion
In this study, the authors investigate the application of a self-assembled monolayer (Co-SAM) formed from phosphocholine (PC) and Me-4PACz on a nickel oxide (NiO\(_x\)) surface to enhance the performance of perovskite solar cells (PSCs). The incorporation of phosphate groups and chloride ions from PC effectively mitigates surface defects on NiO\(_x\), while quaternary ammonium ions and chloride ions help to address vacancies of organic cations and halogens at the perovskite film’s base. This Co-SAM approach not only promotes the growth of perovskite crystals but also passivates buried defects, reduces nonradiative recombination, optimizes energy band alignment for improved carrier transport, and alleviates residual stress within the perovskite layer.
The results indicate a significant improvement in device performance, with the average power conversion efficiency (PCE) increasing from 22.50 ± 0.41% to 24.38 ± 0.36%, and a peak efficiency reaching 25.09%. Furthermore, the devices demonstrate remarkable stability, retaining 93% of their initial efficiency after 1000 hours of continuous operation under one-sun illumination. This research underscores the efficacy of modifying the Co-SAM on NiO\(_x\) hole transport layers in enhancing the overall efficiency and stability of PSCs.