DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-58111-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40155376
تاريخ النشر: 2025-03-28
المؤلف: Chenyang Shi وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد البيروفسكايت وتطبيقاتها
نظرة عامة
تبحث الدراسة في استخدام الهجائن الجزيئية ذات التجميع الذاتي لتعزيز الواجهة المدفونة في خلايا الشمسية من نوع بيروفسكايت (PSCs)، مع التركيز على التفاعلات بين المواد المساعدة المشتركة ومواد الطبقة الأحادية ذات التجميع الذاتي (SAM) المستخدمة بشكل شائع، [4-(3,6-dimethyl-9H-carbazol-9-yl)butyl]phosphonic acid (Me-4PACz). تكشف الدراسة أن المادة المساعدة المشتركة 6-aminohexane-1-sulfonic acid (SA) تملأ المواقع غير المغطاة بفعالية دون إزعاج Me-4PACz، مما يؤدي إلى طبقة أكثر كثافة لاختيار الثقوب. هذا الجمع بين SA و Me-4PACz يقلل بشكل كبير من خسائر إعادة التركيب غير الإشعاعي عند الواجهة، ويعمل على تحسين محاذاة الطاقة، وينظم البلورة في خلايا الشمسية من نوع بيروفسكايت ذات فجوة نطاق واسعة (WBG).
تحقق خلايا الشمسية من نوع WBG الناتجة، بفجوة نطاق تبلغ 1.77 eV، كفاءة تحويل طاقة (PCE) تبلغ 20.67% (20.21% معتمدة) وجهد دائرة مفتوحة ($V_{OC}$) يبلغ 1.332 V (1.313 V معتمد). علاوة على ذلك، من خلال دمج هذه الخلايا الشمسية من نوع WBG مع خلايا شمسية من نوع NBG بفجوة نطاق تبلغ 1.26 eV، يصنع الباحثون خلايا شمسية مزدوجة الطرف من البيروفسكايت بالكامل (TSCs) تظهر كفاءة تحويل طاقة تبلغ 28.94% (28.78% معتمدة) لمنطقة صغيرة تبلغ 0.087 cm² و23.92% لميكرو-وحدة أكبر بمساحة فتحة تبلغ 11.3 cm². تعمل هذه الخلايا TSCs على تقليل الخسائر البصرية وتعزيز جمع الفوتونات عبر الطيف الشمسي، بهدف تجاوز حد شوكلي-كويزر بكفاءة نظرية تتجاوز 43%. على الرغم من التقدم، لا تزال هناك تحديات في معالجة نقص جهد الدائرة المفتوحة في خلايا WBG الفرعية العليا.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد المستخدمة في بحثهم، مشيرين إلى أن جميع المواد الكيميائية تم الحصول عليها من بائعين تجاريين واستخدمت دون تنقية إضافية. تشمل قائمة المواد الكيميائية المذيبات مثل N,N-dimethylformamide (DMF)، dimethyl sulfoxide (DMSO)، وchlorobenzene (CB)، بالإضافة إلى مجموعة متنوعة من الأملاح والمركبات الأساسية لتجاربهم، بما في ذلك potassium thiocyanate (KSCN)، tin (II) fluoride (SnF₂)، وformamidinium iodide (FAI). من الجدير بالذكر أن المواد تم الحصول عليها من موردين موثوقين، مما يضمن جودة وموثوقية المواد الكيميائية المستخدمة في دراستهم.
يسلط القسم الضوء أيضًا على مركبات معينة ذات صلة بالبحث، مثل methylammonium iodide (MAI)، lead iodide (PbI₂)، وpoly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS)، والتي تعتبر حاسمة للإعداد التجريبي. تؤكد القائمة الشاملة للمواد على النهج الدقيق الذي اتبعه الباحثون في اختيار المواد الكيميائية عالية النقاء لدعم نزاهة نتائجهم.
النتائج
استخدمت نتائج هذه الدراسة نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) ومحاكاة الديناميكا الجزيئية (MD) لتحليل الامتصاص التنافسي للمواد المساعدة المشتركة—حمض الفوسفونيك (PA)، حمض الكربوكسيليك (CA)، وحمض السلفونيك (SA)—على أسطح NiO x وأكسيد القصدير الإنديوم (ITO)، خاصة فيما يتعلق بتفاعلاتها مع Me-4PACz. تم حساب طاقات الربط للمواد المساعدة المشتركة، مما يكشف أن PA أظهرت أقوى امتصاص (-3.90 eV)، بينما أظهر CA أضعف امتصاص (-3.25 eV). أشارت محاكاة MD إلى أن وجود المواد المساعدة المشتركة زاد من تغطية السطح لـ Me-4PACz من 0.68 إلى ما بين 0.74 و0.76، مع إظهار SA لأكثر التفاعلات ملاءمة، مما يعزز الامتصاص ويقلل من العيوب في الطبقات الأحادية ذات التجميع الذاتي (SAMs).
أكدت مطيافية الإلكترون السيني (XPS) وجود المواد المساعدة المشتركة في SAMs المختلطة، مع قمم مميزة تتوافق مع كل مادة مساعدة مشتركة. أشارت نسب أنواع النيتروجين إلى نسب متغيرة من المواد المساعدة المشتركة، مما يتماشى مع توقعات MD. بالإضافة إلى ذلك، أدى إدخال المواد المساعدة المشتركة إلى تحسين الخصائص الواجهة لطبقات نقل الثقوب، كما يتضح من زيادة زوايا الاتصال وزيادة تجانس الجهد السطحي المقاس عبر مجهر القوة الكلفينية (KPFM). تشير هذه النتائج إلى أن SA، على وجه الخصوص، تلعب دورًا حاسمًا في تعزيز ارتباط Me-4PACz بـ NiO x، مما يحسن الأداء العام لـ SAMs الهجينة في التطبيقات الإلكترونية.
مناقشة
في هذه الدراسة، بحث المؤلفون في الأداء الكهروضوئي لخلايا الشمسية من نوع بيروفسكايت ذات فجوة نطاق واسعة (WBG) باستخدام استراتيجية الامتصاص المشترك مع الطبقات الأحادية ذات التجميع الذاتي المختلطة (SAMs). تم بناء الأجهزة بتكوين ITO/NiO$_x$/SAMs/FA$_{0.8}$Cs$_{0.2}$Pb(I$_{0.6}$Br$_{0.4}$)$_3$/PDAI$_2$/C$_{60}$/BCP/Ag. أظهرت النتائج أن الأجهزة التي تستخدم SAMs المختلطة أظهرت كفاءات تحويل طاقة (PCEs) أعلى مقارنة بالأجهزة الضابطة، حيث حققت الأجهزة المعتمدة على SA كفاءة تحويل طاقة رائدة تبلغ 20.67%. تم عزو هذا التحسن في الأداء إلى زيادة جهد الدائرة المفتوحة (V$_{OC}$) وعامل التعبئة (FF)، بالإضافة إلى تحسين الكفاءة الكمية الخارجية (EQE) وتقليل خسائر إعادة التركيب غير الإشعاعي.
كشفت تقنيات التوصيف، بما في ذلك مطيافية الفلورية (PL) والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، أن الركائز المعتمدة على SA سهلت بلورة أفضل وجودة الفيلم لطبقات البيروفسكايت، مما أدى إلى تقليل العيوب وتعزيز خصائص نقل الشحنة. كما أبرزت الدراسة أن استراتيجية الامتصاص المشترك لـ SA حسنت بشكل فعال محاذاة الطاقة عند الواجهة المدفونة، وهو أمر حاسم لتحسين أداء الجهاز. علاوة على ذلك، أدى دمج خلايا WBG المحسنة مع خلايا NBG في خلايا شمسية مزدوجة إلى تحقيق كفاءة تحويل طاقة ملحوظة تبلغ 28.94%، مما يظهر الإمكانية للتطبيقات عالية الكفاءة. كانت الاستقرار التشغيلي لهذه الأجهزة المزدوجة واعدًا، حيث حافظت على 85% من كفاءتها الأولية بعد 500 ساعة من التشغيل المستمر. بشكل عام، تؤكد النتائج على فعالية استراتيجية الامتصاص المشترك في تعزيز كل من الكفاءة والاستقرار لخلايا الشمسية من نوع بيروفسكايت.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-58111-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40155376
Publication Date: 2025-03-28
Author(s): Chenyang Shi et al.
Primary Topic: Perovskite Materials and Applications
Overview
The research investigates the use of self-assembled molecular hybrids to enhance the buried interface in perovskite solar cells (PSCs), focusing on the interactions between co-adsorbents and the commonly used self-assembled monolayer (SAM) material, [4-(3,6-dimethyl-9H-carbazol-9-yl)butyl]phosphonic acid (Me-4PACz). The study reveals that the co-adsorbent 6-aminohexane-1-sulfonic acid (SA) effectively fills uncovered sites without disrupting Me-4PACz, leading to a denser hole-selective layer. This combination of SA and Me-4PACz significantly reduces interfacial non-radiative recombination losses, optimizes energy alignment, and regulates crystallization in wide-bandgap (WBG) PSCs.
The resulting WBG PSCs, with a bandgap of 1.77 eV, achieve a power conversion efficiency (PCE) of 20.67% (20.21% certified) and an open-circuit voltage ($V_{OC}$) of 1.332 V (1.313 V certified). Furthermore, by integrating these WBG PSCs with a 1.26 eV narrow-bandgap (NBG) PSC, the researchers fabricate 2-terminal all-perovskite tandem solar cells (TSCs) that demonstrate a PCE of 28.94% (28.78% certified) for a small area of 0.087 cm² and 23.92% for a larger mini-module with an aperture area of 11.3 cm². These TSCs effectively minimize optical losses and enhance photon harvesting across the solar spectrum, aiming to surpass the Shockley-Queisser limit with a theoretical efficiency exceeding 43%. Despite advancements, challenges remain in addressing the open-circuit voltage deficit in WBG top subcells.
Methods
In this section, the authors detail the materials utilized in their research, specifying that all reagents were sourced from commercial vendors and used without further purification. The list of chemicals includes solvents such as N,N-dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO), and chlorobenzene (CB), as well as various salts and compounds essential for their experiments, including potassium thiocyanate (KSCN), tin (II) fluoride (SnF₂), and formamidinium iodide (FAI). Notably, the materials were procured from reputable suppliers, ensuring the quality and reliability of the reagents used in their study.
The section also highlights specific compounds relevant to the research, such as methylammonium iodide (MAI), lead iodide (PbI₂), and poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS), which are critical for the experimental setup. The comprehensive listing of materials underscores the meticulous approach taken by the researchers in selecting high-purity reagents to support the integrity of their findings.
Results
The results of this study utilized density functional theory (DFT) and molecular dynamics (MD) simulations to analyze the competitive adsorption of co-adsorbents—phosphonic acid (PA), carboxylic acid (CA), and sulfonic acid (SA)—on NiO x and indium tin oxide (ITO) surfaces, particularly in relation to their interactions with Me-4PACz. The binding energies for the co-adsorbents were calculated, revealing that PA exhibited the strongest adsorption (-3.90 eV), while CA showed the weakest (-3.25 eV). MD simulations indicated that the presence of co-adsorbents increased surface coverage of Me-4PACz from 0.68 to between 0.74 and 0.76, with SA demonstrating the most favorable interactions, enhancing adsorption and potentially reducing defects in self-assembled monolayers (SAMs).
X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) confirmed the presence of co-adsorbents in the mixed SAMs, with distinct peaks corresponding to each co-adsorbent. The ratios of nitrogen species indicated varying proportions of co-adsorbents, aligning with MD predictions. Additionally, the introduction of co-adsorbents improved the interfacial properties of the hole transport layers, as evidenced by increased contact angles and enhanced surface potential uniformity measured via Kelvin probe force microscopy (KPFM). These findings suggest that SA, in particular, plays a crucial role in enhancing the binding of Me-4PACz to NiO x, thereby improving the overall performance of the hybrid SAMs in electronic applications.
Discussion
In this study, the authors investigated the photovoltaic performance of wide-bandgap (WBG) perovskite solar cells (PSCs) utilizing a coadsorption strategy with mixed self-assembled monolayers (SAMs). The devices were constructed with a configuration of ITO/NiO$_x$/SAMs/FA$_{0.8}$Cs$_{0.2}$Pb(I$_{0.6}$Br$_{0.4}$)$_3$/PDAI$_2$/C$_{60}$/BCP/Ag. The results indicated that devices employing mixed SAMs exhibited higher power conversion efficiencies (PCEs) compared to control devices, with the SA-based devices achieving a champion PCE of 20.67%. This enhancement in performance was attributed to increased open-circuit voltage (V$_{OC}$) and fill factor (FF), as well as improved external quantum efficiency (EQE) and reduced non-radiative recombination losses.
Characterization techniques, including photoluminescence (PL) spectroscopy and scanning electron microscopy (SEM), revealed that the SA-based substrates facilitated better crystallization and film quality of the perovskite layers, leading to fewer defects and enhanced charge transport properties. The study also highlighted that the SA coadsorption strategy effectively optimized the energy alignment at the buried interface, which is crucial for improving device performance. Furthermore, the integration of the improved WBG PSCs with narrow-bandgap (NBG) PSCs into tandem solar cells resulted in a remarkable PCE of 28.94%, showcasing the potential for high-efficiency applications. The operational stability of these tandem devices was promising, maintaining 85% of their initial PCE after 500 hours of continuous operation. Overall, the findings underscore the effectiveness of the coadsorption strategy in enhancing both the efficiency and stability of perovskite solar cells.