Tarimo kasih alah bakunjuang ka Alam.com. Versi palayar nan Sanak gunoan punyo dukuangan CSS nan tabateh. Untuak hasil nan paliang baiak, kami sarankan manggunoan versi palayar Sanak nan labiah baru (atau mamatian mode kasasuaian di Internet Explorer). Samantaro itu, untuak mamastian dukuangan balanjuik, kami manunjuakan situs tanpa gaya atau JavaScript.
Pasivasi cacat alah banyak digunoan untuak maningkekan kinerja sel surya perovskit triiodida timah, tapi efek dari babagai cacat pado stabilitas fase α masih alun jaleh; Di siko, manggunoan teori fungsional kapadekan, kami mangidentifikasi untuak partamo kalinyo jalur degradasi perovskit triyodida timah formamidin dari fase-α ka fase-δ jo mampalajari efek babagai cacat pado pambateh energi transisi fase. Hasia simulasi mamprediksi baso lowongan yodium paliang mungkin manyababkan degradasi karano sacaro signifikan manurunkan pambateh energi untuak transisi fase α-δ jo mampunyoi energi pambentukan nan paliang randah pado pamukaan perovskit. Pamasuakan lapisan padek oksalat timah nan indak laruik dalam aia ka pamukoan perovskit sacaro signifikan mangambati panguraian fase α, mancegah migrasi jo panguangan yodium. Salain itu, strategi iko sacaro signifikan mangurangi rekombinasi nonradiatif antarmuka jo maningkekan efisiensi sel surya manjadi 25,39% (disertifikasi 24,92%). Alat nan alun dikemas ko masih dapek mampatahankan efisiensi aslinyo 92% sasudah baoperasi jo kakuatan maksimum salamo 550 jam di bawah iradiasi massa udaro 1,5 G nan disimulasikan.
Efisiensi konversi daya (PCE) sel surya perovskit (PSC) alah mancapai rekor tinggi nan disertifikasi yaitu 26%1. Sajak 2015, PSC modern labiah mamiliah formamidin triiodida perovskite (FAPbI3) sabagai lapisan panyarap cahayo karano stabilitas termalnyo nan sangaik baiak jo celah pita piliahan nan dakek jo bateh Shockley-Keisser yaitu 2,3,4. Sayangnyo, film FAPbI3 sacaro termodinamis mangalami transisi fase dari fase α hitam ka fase δ non-perovskit kuniang pado suhu ruangan5,6. Untuak mancagah pambentukan fase delta, babagai komposisi perovskit nan kompleks alah dikambangkan. Strategi nan paliang umum untuak mangatasi masalah ko adolah mancampua FAPbI3 jo kombinasi ion metil amonium (MA+), sesium (Cs+) jo ion bromida (Br-)7,8,9. Namun, perovskit hibrida menderita dari paluasan celah pita jo pamisahan fase nan diinduksi foto, nan mambahayakan kinerja jo stabilitas operasional PSC nan dihasilkan10,11,12.
Panalitian nan baru-baru ko manunjuakan baso FAPbI3 kristal tunggal murni tanpa ado doping mampunyoi stabilitas nan sangaik baiak dek kristalinitasnyo nan sangaik baiak jo cacatnyo nan randah13,14. Dek karano itu, mangurangi cacat jo maningkekan kristalinitas FAPbI3 curah marupoan strategi pantiang untuak mancapai PSC nan efisien jo stabil2,15. Namun, salamo operasi PSC FAPbI3, degradasi ka fase δ non-perovskit heksagonal kuniang nan indak diinginkan masih dapek tajadi16. Prosesnyo biasonyo dimulai pado pamukaan jo bateh butiran nan labiah rawan jo aia, paneh jo cahayo dek adonyo banyak daerah nan cacat17. Dek karano itu, pasivasi pamukaan/butiran paralu untuak manstabilkan fase hitam FAPbI318. Banyak strategi pasivasi cacat, tamasuak pangaruah perovskit dimensi randah, molekul Lewis asam-basa, jo garam amonium halida, alah mambuek kamajuan gadang dalam PSC formamidin19,20,21,22. Sampai kini, ampia sadoalah panalitian alah fokus pado peran babagai cacat dalam manantuan sipaik optoelektronik sarupo rekombinasi pambaok, panjang difusi jo struktur pita pado sel surya22,23,24. Misalnyo, teori fungsional kapadekan (DFT) digunoan untuak sacaro teoritis mamprediksi energi-energi pambentukan jo tingkek energi panjebakan dari babagai cacat, nan banyak digunoan untuak mamandu desain pasivasi praktis20,25,26. Sairiang jo bakurangnyo jumlah cacat, stabilitas parangkat biasonyo maningkek. Namun, pado PSC formamidin, mekanisme pangaruah babagai cacat pado stabilitas fase jo sipaik fotolistrik harus samo sakali babeda. Sapanjang pangatahuan kami, pamahaman mendasar tantang baa cacat manginduksi transisi fase kubik ka heksagonal (α-δ) jo peran pasivasi pamukaan pado stabilitas fase perovskit α-FAPbI3 masih kurang dipahami.
Di siko, kami mangungkapkan jalur degradasi perovskit FAPbI3 dari fase α hitam ka fase δ kuniang jo pangaruah babagai cacat pado pambateh energi transisi fase α-ka-δ malalui DFT. I lowongan, nan mudah dihasiakan salamo pambuatan film jo operasi parangkat, diprediksi paliang mungkin untuak mamulai transisi fase α-δ. Dek karano itu, kami mampakenalkan lapisan padek timah oksalat (PbC2O4) nan indak laruik dalam aia jo stabil sacaro kimia di ateh FAPbI3 malalui reaksi in situ. Permukaan timah oksalat (LOS) mangambati pambentukan lowongan I jo managah migrasi ion I katiko dirangsang dek medan paneh, cahayo, jo listrik. LOS nan dihasilkan sacaro signifikan mangurangi rekombinasi nonradiatif antarmuka jo maningkekan efisiensi PSC FAPbI3 manjadi 25,39% (disertifikasi manjadi 24,92%). Perangkaik LOS nan alun dikemas mampatahankan 92% dari efisiensi aslinyo sasudah baoperasi pado titiak daya maksimum (MPP) salamo labiah dari 550 jam pado massa udaro simulasi (AM) 1,5 G radiasi.
Kami partamo kali malakukan paretongan ab initio untuak mancari jalur panguraian perovskit FAPbI3 untuak transisi dari fase α ka fase δ. Malalui proses parubahan fase nan rinci, ditamukan baso parubahan dari oktahedron [PbI6] nan babagi suduik tigo dimensi pado fase α kubik FAPbI3 manjadi oktahedron nan babagi tapi [PbI6] satu dimensi pado fase δ heksagonal FAPbI3. pacah 9. Pb-I mambantuak ikatan pado langkah partamo (Int-1), dan pambateh energinyo mancapai 0,62 eV/sel, sarupo nan ditunjukkan pado Gambar 1a. Katiko oktahedron digeser ka arah [0\(\bar{1}\)1], rantai pendek sagi anam mangambang dari 1×1 manjadi 1×3, 1×4 dan akhianyo masuak ka fase δ. Rasio orientasi dari saluruah jalur adolah (011)α//(001)δ + [100]α//[100]δ. Dari diagram distribusi energi, dapek ditamukan baso sasudah nukleasi fase δ FAPbI3 pado tahap-tahap barikuiknyo, pambateh energi labiah randah daripado transisi fase α, nan bararti transisi fase akan dipercepat. Nan jaleh, langkah partamo untuak mangandalikan transisi fase sangaik pantiang jikok kito ingin manakan degradasi fase α.
a Proses parubahan fase dari suok ka kida – fase FAPbI3 hitam (fase α), pambelahan ikatan Pb-I partamo (Int-1) jo pambelahan ikatan Pb-I labiah lanjuik (Int-2, Int -3 jo Int -4) jo fase FAPbI3 kuniang (fase delta). b Hambatan energi untuak transisi fase α ka δ FAPbI3 badasarkan babagai cacat titiak intrinsik. Garih titiak-titik manunjuakan pambateh energi kristal ideal (0,62 eV). c Energi pambentukan cacat titiak primer pado pamukoan perovskit timah. Sumbu absis adolah pambateh energi dari transisi fase α-δ, jo sumbu ordinat adolah energi pambentukan cacat. Bagian nan bawarna abu-abu, kuniang jo hijau adolah tipe I (EB randah-FE tinggi), tipe II (FE tinggi) jo tipe III (EB randah-FE randah), masiang-masiang. d Energi pambentukan cacat VI jo LOS dari FAPbI3 pado kontrol. e I penghalang untuak migrasi ion dalam kontrol jo LOS dari FAPbI3. f – gambaran skematis dari migrasi ion I (bola oranye) jo gLOS FAPbI3 (abu-abu, timah; violet (oranye), yodium (yodium mobile)) pado kontrol gf (kiri: pandangan ateh; kanan: penampang, coklat); karbon; biru mudo – nitrogen; merah – oksigen; warna pink mudo – hidrogen). Data sumber disadiokan dalam bantuak file data sumber.
Kami kamudian sacaro sistematis mampalajari pangaruah babagai cacat titiak intrinsik (tamasuak panghunian antisitus PbFA, IFA, PbI, jo IPb; atom antar Pbi jo Ii; jo lowongan VI, VFA, jo VPb), nan dianggap sabagai faktor kunci. nan manyababkan degradasi fase tingkek atom jo energi ditunjuakan pado Gambar 1b jo Tabel Tambahan 1. Nan manarik, indak sadoalah cacat mangurangi pambateh energi dari transisi fase α-δ (Gambar 1b). Kami picayo baso cacat nan mampunyoi energi pambentukan nan randah jo hambatan energi transisi fase α-δ nan labiah randah dianggap marugikan stabilitas fase. Sarupo nan dilaporkan sabalunnyo, pamukaan nan kayo jo timah umumnyo dianggap efektif untuak formamidin PSC27. Dek karano itu, kami fokus pado pamukaan nan diakhiri PbI2 (100) dalam kondisi nan kayo jo timah. Energi pambentukan cacat dari cacat titiak intrinsik pamukaan ditunjuakan pado Gambar 1c jo Tabel Tambahan 1. Badasakan pambateh energi (EB) jo energi pambentukan transisi fase (FE), cacat ko diklasifikasikan manjadi tigo jinih. Tipe I (EB randah-FE tinggi): Walaupun IPb, VFA jo VPb sacaro signifikan mangurangi pambateh energi untuak transisi fase, inyo mampunyoi energi pambentukan nan tinggi. Dek karano itu, kami picayo baso jinih cacat iko mampunyoi dampak nan tabateh pado transisi fase karano jarang tabantuak. Tipe II (EB tinggi): Karano pambateh energi transisi fase α-δ nan maningkek, cacat anti-tapak PbI, IFA jo PbFA indak marusak stabilitas fase perovskit α-FAPbI3. Tipe III (EB randah-FE randah): cacat VI, Ii jo Pbi jo energi pambentukan nan relatif randah dapek manyababkan degradasi fase hitam. Apolai diagiah FE jo EB VI nan paliang randah, kami picayo strategi nan paliang efektif adolah mangurangi I lowongan.
Untuak mangurangi VI, kami mangambangkan lapisan padek PbC2O4 untuak maningkekan pamukaan FAPbI3. Dibandiangkan jo pasivator garam halida organik sarupo feniletilemonium yodida (PEAI) jo n-oktilamonium yodida (OAI), PbC2O4, nan indak manganduang ion halogen bagarak, stabil sacaro kimiawi, indak laruik dalam aia, jo mudah dinonaktifkan katiko dirangsang. Stabilisasi nan baiak dari kalembaban pamukoan jo medan listrik perovskit. Kalarutan PbC2O4 dalam aia hanyo 0,00065 g/L, nan bahkan labiah randah daripado PbSO428. Nan labiah pantiang, lapisan LOS nan padek jo saragam dapek disiapkan sacaro lunak pado film perovskit manggunoan reaksi in situ (caliak di bawah). Kami malakukan simulasi DFT dari ikatan antarmuka antaro FAPbI3 jo PbC2O4 sarupo nan ditunjukkan pado Gambar Tambahan 1. Tabel Tambahan 2 manyajikan energi pambentukan cacat sasudah suntikan LOS. Kami manamukan baso LOS indak hanyo maningkekan energi pambentukan cacat VI jo 0,69–1,53 eV (Gambar 1d), tapi juo maningkekan energi aktivasi I pado pamukoan migrasi jo pamukoan kalua (Gambar 1e). Pado tahap partamo, ion I bamigrasi di sapanjang pamukaan perovskit, maninggaan ion VI pado posisi kisi jo pambateh energi 0,61 eV. Sasudah diperkenalkannyo LOS, dek efek hambatan sterik, energi aktivasi untuak migrasi ion I maningkek manjadi. 1,28 ev. Salamo migrasi ion I nan maninggaan pamukoan perovskit, pambateh energi pado VOC juo labiah tinggi daripado pado sampel kontrol (Gambar 1e). Diagram skematik jalur migrasi ion I pado kontrol jo LOS FAPbI3 ditunjuakan pado Gambar 1 f jo g, masiang-masiang. Hasia simulasi manunjuakan baso LOS dapek mangambati pambentukan cacat VI jo volatilisasi I, sahinggo mancegah nukleasi transisi fase α ka δ.
Reaksi antaro asam oksalat jo perovskit FAPbI3 diuji. Sasudah mancampua larutan asam oksalat jo FAPbI3, tabantuak sajumlah gadang endapan putiah, sarupo nan ditunjukkan pado Gambar Tambahan 2. Produk bubuak diidentifikasi sabagai bahan PbC2O4 murni manggunoan difraksi sinar-X (XRD) (Gambar Tambahan 3) jo transformasi spektro FTIR dalam4). Kami manamukan baso asam oksalat sangaik laruik dalam alkohol isopropil (IPA) pado suhu ruangan jo kalarutan labiah kurang 18 mg/mL, sarupo nan ditunjukkan pado Gambar Tambahan 5. Hal iko mambuek pamrosesan salanjuiknyo labiah mudah karano IPA, sabagai pelarut pasivasi umum, indak marusak wakatu peroyon2v nan singkek. Dek karano itu, jo caro mancelupkan film perovskit dalam larutan asam oksalat atau malapisi spin-larutan asam oksalat pado perovskit, PbC2O4 tipih jo padek dapek didapek sacaro capek pado pamukaan film perovskit manuruik persamaan kimia barikuik: H2C2O4 + FAPbI +3O. FAI dapek dilaruikkan dalam IPA dan sahinggo dikaluakan salamo mamasak. Kabanyakan LOS dapek dikontrol jo wakatu reaksi jo konsentrasi prekursor.
Gambar mikroskopi elektron pindai (SEM) dari film perovskit kontrol jo LOS ditunjuakan pado Gambar 2a,b. Hasilnyo manunjuakan baso morfologi pamukoan perovskit dipaliharo jo baiak, jo sajumlah gadang partikel haluih disimpan pado pamukoan butiran, nan seharusnyo mawakili lapisan PbC2O4 nan tabantuak dek reaksi in-situ. Film perovskite LOS mampunyoi pamukaan nan agak labiah muluih (Gambar Tambahan 6) jo suduik kontak aia nan labiah gadang dibandiangkan jo film kontrol (Gambar Tambahan 7). Mikroskopi elektron transmisi malintang resolusi tinggi (HR-TEM) digunoan untuak mambedakan lapisan pamukoan produk. Dibandiangkan jo film kontrol (Gambar 2c), lapisan tipih nan saragam jo padek jo ketebalan sakitar 10 nm tampak jaleh di ateh perovskit LOS (Gambar 2d). Manggunoan mikroskopi elektron pamindaian medan gelap ring suduik tinggi (HAADF-STEM) untuak mamareso antarmuka antaro PbC2O4 jo FAPbI3, adonyo daerah kristal FAPbI3 jo daerah amorf PbC2O4 dapek diamati sacaro jaleh (Gambar Tambahan 8). Komposisi pamukoan perovskit sasudah pangolaan asam oksalat dicirikan jo pangukuran spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS), sarupo nan ditunjukkan pado Gambar 2e–g. Pado Gambar 2e, puncak C 1s sakitar 284,8 eV jo 288,5 eV tamasuak sinyal CC jo FA spesifik, masiang-masiang. Dibandiangkan jo membran kontrol, membran LOS mampanampakkan puncak tambahan pado 289,2 eV, nan dihubuangkan jo C2O42-. Spektrum O 1s dari perovskit LOS mampanampakkan tigo puncak O 1s nan babeda sacaro kimia pado 531,7 eV, 532,5 eV, jo 533,4 eV, sasuai jo COO nan diprotonasi, C=O dari gugus oksalat utuh 30 jo atom O dari komponen OH2e (Gambar 1 ). )). Untuak sampel kontrol, hanyo puncak O 1s ketek nan diamati, nan dapek dikaitkan jo oksigen nan diserap kimia pado pamukaan. Karakteristik membran kontrol Pb 4f7/2 jo Pb 4f5/2 talatak pado 138,4 eV jo 143,3 eV. Kami mangamati baso perovskit LOS mampanampakkan pergeseran puncak Pb sakitar 0,15 eV manuju energi pangikek nan labiah tinggi, nan manunjuakan interaksi nan labiah kuek antaro atom C2O42- jo Pb (Gambar 2g).
a Gambar SEM dari kontrol jo b film perovskit LOS, pandangan ateh. c Mikroskopi elektron transmisi panampang resolusi tinggi (HR-TEM) dari kontrol jo d film perovskit LOS. XPS resolusi tinggi dari film perovskit e C 1s, f O 1s jo g Pb 4f. Data sumber disadiokan dalam bantuak file data sumber.
Manuruik hasil DFT, sacaro teoritis diprediksi baso cacat VI jo migrasi I jo mudah manyababkan transisi fase dari α ka δ. Laporan sabalunnyo manunjuakan baso I2 dikaluakan sacaro capek dari film perovskit nan babasis PC salamo fotoimmersi sasudah mangadap film-film tu kapado tekanan cahayo jo termal31,32,33. Untuak mamastian efek panstabil oksalat timah pado fase α perovskit, kami manyelamkan film perovskit kontrol jo LOS dalam botol kaco transparan nan manganduang toluena, masiang-masiang, dan kamudian disinari jo 1 cahayo matohari salamo 24 h. Kami maukua panyarapan cahayo ultraviolet jo cahayo nan tampak (UV-Vis). ) larutan toluena, sarupo nan ditunjukkan pado Gambar 3a. Dibandiangkan jo sampel kontrol, intensitas panyarapan I2 nan jauah labiah randah diamati pado kasus LOS-perovskit, nan manunjuakan baso LOS kompak dapek mangambati palapehan I2 dari film perovskit salamo panyelaman cahayo. Foto film perovskit kontrol nan alah baumua jo LOS ditunjuakan pado sisipan Gambar 3b jo c. Perovskit LOS masih hitam, sadangkan sabagian gadang film kontrol alah barubah warna kuniang. Spektrum panyarapan UV–nampak dari film nan dirandam ditunjuakan pado Gambar. 3b, c. Kami mangamati baso panyarapan nan sasuai jo α pado film kontrol jaleh manurun. Pangukuran sinar-X dilakukan untuak mandokumentasikan evolusi struktur kristal. Sasudah 24 jam panarangan, perovskit kontrol manunjuakan sinyal fase δ kuniang nan kuek (11,8°), sadangkan perovskit LOS masih mampatahankan fase hitam nan baiak (Gambar 3d).
Spektrum panyarapan nan tampak UV dari larutan toluena di mano film kontrol jo film LOS dirandam di bawah 1 cahayo matohari salamo 24 jam. Inset manunjuakan botol di mano satiok film dirandam dalam volume toluena nan samo. b Spektrum penyerapan UV-Vis dari film kontrol jo c film LOS sabalun jo sasudah 24 h direndam di bawah 1 cahayo matohari. Insetnyo manunjuakan foto film uji coba. d Pola difraksi sinar-X film kontrol jo LOS sabalun jo sasudah 24 h paparan. Gambar SEM dari film kontrol e jo film f LOS sasudah 24 jam paparan. Data sumber disadiokan dalam bantuak file data sumber.
Kami malakukan pangukuran mikroskopi elektron pindai (SEM) untuak mangamati parubahan mikrostruktur film perovskit sasudah 24 jam panarangan, sarupo nan ditunjukkan pado Gambar 3e,f. Pado film kontrol, butiran-butiran gadang dihancuakan dan barubah manjadi jarum ketek, nan sasuai jo morfologi produk fase δ FAPbI3 (Gambar 3e). Untuak film LOS, butiran perovskit tatap dalam kondisi nan elok (Gambar 3f). Hasilnyo managakan baso kahilangan I sacaro signifikan manginduksi transisi dari fase hitam ka fase kuniang, samantaro PbC2O4 manstabilkan fase hitam, mancegah kahilangan I. Karano kapadekan kekosongan pado pamukoan jauah labiah tinggi daripado pado curah butiran,34 fase ko labiah mungkin tajadi pado surfa dari. sacaro sarantak malapehan yodium jo mambantuak VI. Sarupo nan diprediksi dek DFT, LOS dapek mangambati pambentukan cacat VI jo mancagah migrasi ion I ka pamukoan perovskit.
Salain itu, pangaruah lapisan PbC2O4 pado katahanan kalembaban film perovskit di udaro atmosfer (kalembaban relatif 30-60%) dipalajari. Sarupo nan ditunjukkan pado Gambar Tambahan 9, perovskit LOS masih hitam sasudah 12 hari, sadangkan film kontrol barubah warna manjadi kuniang. Dalam pangukuran XRD, film kontrol manunjuakan puncak nan kuek pado 11,8° sasuai jo fase δ FAPbI3, sadangkan perovskit LOS mampatahankan fase α hitam jo baiak (Gambar Tambahan 10).
Fotoluminesen kaadaan mantap (PL) jo fotoluminesen nan disalasaikan wakatu (TRPL) digunoan untuak mampalajari efek pasivasi oksalat timah pado pamukoan perovskit. Pado Gambar Gambar 4a manunjuakan baso film LOS alah maningkek intensitas PL. Dalam gambar pemetaan PL, intensitas film LOS pado saluruah wilayah 10 × 10 μm2 labiah tinggi daripado film kontrol (Gambar Tambahan 11), nan manunjuakan baso PbC2O4 sacaro saragam mampasifkan film perovskit. Maso hiduik pambaok ditantuan jo caro mandakek-i peluruhan TRPL jo fungsi eksponensial tungga (Gambar 4b). Maso hiduik pambaok film LOS adolah 5,2 μs, nan jauah labiah lamo daripado film kontrol jo maso hiduik pambaok 0,9 μs, nan manunjuakan rekombinasi nonradiatif pamukaan nan bakurang.
PL keadaan mantap jo spektrum b dari PL samantaro film perovskit pado substrat kaco. c Kurva SP dari alat (FTO/TiO2/SnO2/Perovskit/Spiro-OMeTAD/Au). d Spektrum EQE jo spektrum EQE Jsc nan diintegrasikan dari alat nan paliang efisien. d Tagantuangnyo intensitas cahayo dari suatu alat perovskit pado diagram Voc. f Analisis MKRC khas manggunokan alat lubang barasiah ITO/PEDOT:PSS/Perovskite/PCBM/Au. VTFL adolah tegangan pangisian jebakan maksimum. Dari data iko kami maetong kapadekan perangkap (Nt). Data sumber disadiokan dalam bantuak file data sumber.
Untuak mampalajari pangaruah lapisan oksalat timah pado kinerja parangkat, struktur kontak FTO/TiO2/SnO2/perovskite/spiro-OMeTAD/Au tradisional digunoan. Kami manggunoan formamidin klorida (FACl) sabagai aditif untuak prekursor perovskit alih-alih metilamin hidroklorida (MACl) untuak mancapai kinerja parangkat nan labiah baiak, karano FACl dapek manyadiokan kualitas kristal nan labiah baiak jo mahindari celah pita FAPbI335 (caliak Gambar Tambahan detail2). ). 12-14). IPA dipiliah sabagai antipelarut karano manyadiokan kualitas kristal nan labiah baiak jo orientasi nan disukoi pado film perovskit dibandiangkan jo dietil eter (DE) atau klorobenzena (CB)36 (Gambar Tambahan 15 jo 16). Kabanyakan PbC2O4 dioptimalkan sacaro hati-hati untuak manyaimbangkan pasivasi cacat jo transportasi muatan jo caro manyasuaian konsentrasi asam oksalat (Gambar Tambahan 17). Gambar SEM panampang dari alat kontrol jo LOS nan dioptimalkan ditunjuakan pado Gambar Tambahan 18. Kurva kapadekan arus (CD) khas untuak alat kontrol jo LOS ditunjuakan pado Gambar 4c, dan parameter nan diekstraksi diagiah pado Tabel Tambahan 3. Efisiensi konversi daya maksimum (J%c2%)43. 25,75 mA cm-2 (25,74 mA cm-2), Voc 1,16 V (1,16 V) jo pindaian tabaliak (ka muko). Faktor pangisian (FF) adolah 78,40% (76,69%). LOS PCE maksimum PSC adolah 25,39% (24,79%), Jsc adolah 25,77 mA cm-2, Voc adolah 1,18 V, FF adolah 83,50% (81,52%) dari mundur (Scan maju ka). Alat LOS mancapai kinerja fotovoltaik nan disertifikasi 24,92% di laboratorium fotovoltaik pihak katigo nan dipicayo (Gambar Tambahan 19). Efisiensi kuantum lua (EQE) mambarikan Jsc terpadu masiang-masiang 24,90 mA cm-2 (kontrol) jo 25,18 mA cm-2 (LOS PSC), nan sasuai baiak jo Jsc nan diukua dalam spektrum standar AM 1,5 G (Gambar .4d). ) . Distribusi statistik PCE nan diukua untuak PSC kontrol jo LOS ditunjuakan pado Gambar Tambahan 20.
Sarupo nan ditunjukkan pado Gambar 4e, hubungan antaro Voc jo intensitas cahayo dihituang untuak mampalajari efek PbC2O4 pado rekombinasi pamukaan nan dibantu jo perangkap. Kemiringan garih nan dipasang untuak parangkat LOS adolah 1,16 kBT/persegi, nan labiah randah daripado kemiringan garih nan dipasang untuak parangkat kontrol (1,31 kBT/persegi), nan managakan baso LOS baguno untuak mangambati rekombinasi pamukaan dek umpan. Kami manggunoan teknologi pambatasan arus muatan ruang angkasa (SCLC) untuak mangukua sacaro kuantitatif kapadekan cacat dari suatu film perovskit jo mangukua ciri IV gelap dari suatu alat lubang (ITO/PEDOT:PSS/perovskit/spiro-OMeTAD/Au) sarupo nan ditunjukkan pado gambar. 4f Tunjuakkan. Kapadekan perangkap dihituang jo rumus Nt = 2ε0εVTFL/eL2, dimano ε adolah konstanta dielektrik relatif dari film perovskit, ε0 adolah konstanta dielektrik vakum, VTFL adolah tegangan pambatas untuak maisi perangkap, e adolah muatan, L adolah ketebalan film perovskit n). Kapadekan cacat dari alat VOC dihituang 1,450 × 1015 cm–3, nan labiah randah daripado kapadekan cacat dari alat kontrol, yaitu 1,795 × 1015 cm–3.
Alat nan indak dikemas diuji pado titiak daya maksimum (MPP) di bawah cahayo siang panuah di bawah nitrogen untuak mamareso stabilitas kinerjanyo dalam jangka panjang (Gambar 5a). Sasudah 550 jam, parangkat LOS masih mampatahankan 92% dari efisiensi maksimumnyo, sadangkan kinerja parangkat kontrol alah turun manjadi 60% dari kinerja aslinyo. Distribusi unsur-unsur pado parangkat lamo diukua jo spektrometri massa ion sekunder wakatu tabang (ToF-SIMS) (Gambar 5b, c). Akumulasi yodium nan gadang dapek dicaliak di daerah kontrol ameh bagian ateh. Kondisi palinduangan gas inert mangacualian faktor-faktor nan marusak lingkuangan sarupo kalembaban jo oksigen, nan manunjuakan baso mekanisme internal (yaitu, migrasi ion) batangguang jawab. Manuruik hasil ToF-SIMS, ion I- jo AuI2- tadeteksi pado elektroda Au, nan manunjuakan difusi I dari perovskit manjadi Au. Intensitas sinyal ion I- jo AuI2- pado alat kontrol kiro-kiro 10 kali labiah tinggi daripado sampel VOC. Laporan sabalunnyo manunjuakan baso permeasi ion dapek manyababkan panurunan capek konduktivitas lubang spiro-OMeTAD jo korosi kimia lapisan elektroda ateh, sahinggo mamburuk kontak antarmuka pado parangkat37,38. Elektroda Au dikaluakan jo lapisan spiro-OMeTAD dibarasiahan dari substrat jo larutan klorobenzena. Kami kamudian mancirikan film tu jo manggunoan difraksi sinar-X insiden marambah (GIXRD) (Gambar 5d). Hasilnyo manunjuakan baso film kontrol mampunyoi puncak difraksi nan jaleh pado 11,8°, sadangkan indak ado puncak difraksi baru nan muncua pado sampel LOS. Hasilnyo manunjuakan baso kahilangan ion I nan gadang pado film kontrol manyababkan pambuatan fase δ, sadangkan pado film LOS proses ko jaleh dihambat.
575 jam palacakan MPP taruih manaruih dari alat nan indak disegel dalam atmosfer nitrogen jo 1 cahayo matohari tanpa filter UV. Distribusi ToF-SIMS ion b I- jo c AuI2- pado alat kontrol MPP LOS jo alat penuaan. Nuansa kuniang, hijau jo oranye sasuai jo Au, Spiro-OMeTAD jo perovskit. d GIXRD dari film perovskit sasudah uji MPP. Data sumber disadiokan dalam bantuak file data sumber.
Konduktivitas nan tagantuang pado suhu diukua untuak mamastian baso PbC2O4 dapek mangambati migrasi ion (Gambar Tambahan 21). Energi aktivasi (Ea) dari migrasi ion ditantuan jo mangukua parubahan konduktivitas (σ) film FAPbI3 pado suhu nan babeda (T) jo manggunoan hubungan Nernst-Einstein: σT = σ0exp(−Ea/kBT), dimano σ0 adolah konstanta, kB adolah konstanta Botzl. Kito mandapekkan nilai Ea dari kemiringan ln(σT) versus 1/T, yaitu 0,283 eV untuak kontrol jo 0,419 eV untuak alat LOS.
Singkatnyo, kami manyadiokan rangka teoritis untuak maidentifikasi jalur degradasi perovskit FAPbI3 jo pangaruah babagai cacat pado pambateh energi transisi fase α-δ. Di antaro cacat-cacat iko, cacat VI sacaro teoritis diprediksi dapek jo mudah manyababkan transisi fase dari α ka δ. Lapisan padek PbC2O4 nan indak laruik dalam aia jo stabil sacaro kimia diperkenalkan untuak manstabilkan fase α FAPbI3 jo caro mangambati pambentukan lowongan I jo migrasi ion I. Strategi iko sacaro signifikan mangurangi rekombinasi non-radiatif antarmuka, maningkekan efisiensi sel surya manjadi 25,39%, jo maningkekan stabilitas operasi. Hasia kami mambarikan panduan untuak mancapai PSC formamidin nan efisien jo stabil jo mangambati transisi fase α ka δ nan diinduksi dek cacat.
Isopropoksida titanium (IV) (TTIP, 99,999%) dibali dari Sigma-Aldrich. Asam klorida (HCl, 35,0-37,0%) jo etanol (anhidrat) dibali dari Industri Kimia Guangzhou. SnO2 (dispersi koloid oksida timah (IV) 15% barek) dibali dari Alfa Aesar. Timah (II) yodida (PbI2, 99,99%) dibali dari TCI Shanghai (Cino). Formamidine iodide (FAI, ≥99.5%), formamidine chloride (FACl, ≥99.5%), methylamine hydrochloride (MACl, ≥99.5%), 2,2′,7,7′-tetrakis-(N , N-di-p) )-methoxyaniline)-9,9′-spirobifluorene 99,95 %, 4-tert -butilpiridin (tBP, 96%) dibali dari Perusahaan Teknologi Cahayo Polimer Xi'an (Cino). N,N-dimetilformamida (DMF, 99,8%), dimetilsulfoksida (DMSO, 99,9%), alkohol isopropil (IPA, 99,8%), klorobenzena (CB, 99,8%), asetonitril (ACN). Dibali dari sigma. Asam oksalat (H2C2O4, 99,9%) dibali dari Macklin. Sagalo bahan kimia digunoan sarupo nan ditarimo tanpa ado modifikasi lain.
Substrat ITO atau FTO (1,5 × 1,5 cm2) dibarasiahan jo deterjen, aseton, jo etanol salamo 10 min, masiang-masiang, dan kamudian dikariangan di bawah aliran nitrogen. Lapisan pambateh TiO2 padek disimpan pado substrat FTO manggunoan larutan titanium diisopropoksibis (asetilasetonat) dalam etanol (1/25, v/v) nan disimpan pado suhu 500 °C salamo 60 min. Dispersi koloid SnO2 diencerkan jo aia deionisasi dalam rasio volume 1:5. Pado substrat barasiah nan dirawat jo ozon UV salamo 20 minik, film tipih dari partikel nano SnO2 disimpan pado 4000 rpm salamo 30 datiak dan kamudian dipanehan pado suhu 150 °C salamo 30 minik. Untuak larutan pandahulu perovskit, 275,2 mg FAI, 737,6 mg PbI2 jo FACl (20 mol%) dilaruikkan dalam pelarut campuran DMF/DMSO (15/1). Lapisan perovskit disiapkan jo caro mansentrifugasi 40 μL larutan prekursor perovskit di ateh lapisan SnO2 nan dirawat jo ozon UV pado 5000 rpm di udaro sakitar salamo 25 s. 5 datiak sasudah tarakhia kali, 50 μL larutan IPA MACl (4 mg/mL) dijatuahan sacaro capek ka ateh substrat sabagai antipelarut. Kudian, film-film nan baru disiapkan di-anneal pado suhu 150°C salamo 20 min dan kamudian pado suhu 100°C salamo 10 min. Sasudah mandinginkan film perovskit sampai suhu ruangan, larutan H2C2O4 (1, 2, 4 mg nan dilaruikkan dalam 1 mL IPA) disentrifugasi pado 4000 rpm salamo 30 s untuak mampasivasikan pamukaan perovskit. Larutan spiro-OMeTAD nan dibuek jo caro mancampua 72,3 mg spiro-OMeTAD, 1 ml CB, 27 μl tBP jo 17,5 μl Li-TFSI (520 mg dalam 1 ml asetonitril) dilapisi jo putaran ka ateh film pado 4000 rpm dalam 4000 rpm. Akhianyo, lapisan Au taba 100 nm diuapkan dalam vakum jo kacepatan 0,05 nm/detik (0~1 nm), 0,1 nm/detik (2~15 nm) jo 0,5 nm/detik (16~100 nm) . ).
Kinerja SC sel surya perovskit diukua manggunoan Keithley 2400 meter di bawah panarangan simulator surya (SS-X50) pado intensitas cahayo 100 mW/cm² dan diverifikasi manggunoan sel surya silikon standar nan dikalibrasi. Kacuali dinyatoan lain, kurva SP diukua dalam kotak sarung tangan nan panuah nitrogen pado suhu ruangan (~25°C) dalam mode pindai maju jo mundur (langkah tegangan 20 mV, wakatu panundaan 10 ms). Topeng bayangan digunoan untuak manantuan luas efektif 0,067 cm2 untuak PSC nan diukua. Pangukuran EQE dilakukan pado udaro lingkuangan manggunoan sistem PVE300-IVT210 (Teknologi Panglihatan Industri) jo cahayo monokromatik nan difokuskan pado parangkat. Untuak stabilitas parangkat, pangujian sel surya nan indak dikapsulkan dilakukan dalam kotak sarung tangan nitrogen pado takanan 100 mW/cm2 tanpa saringan UV. ToF-SIMS diukua jo manggunoan SIMS wakatu tabang nanoTOFII PHI. Profiling kadalaman didapek jo manggunoan pistol ion Ar 4 kV jo luas 400×400 μm.
Pangukuran spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) dilakukan pado sistem Ilmiah Thermo-VG (ESCALAB 250) manggunoan Al Kα monokromatisasi (untuak mode XPS) pado takanan 5,0 × 10-7 Pa. Morfologi pamukoan jo kasarnyo film perovskit diukua jo manggunoan mikroskop gaya atom (AFM) (Scan Cepat Dimensi Panyalah). BARANG jo HAADF-BARANG diadokan di BARANG Themis Titan FEI. Spektrum panyarapan UV-Vis diukua jo manggunoan UV-3600Plus (Perusahaan Shimadzu). Arus pambatasan muatan ruang angkasa (SCLC) dicatat pado Keithley 2400 meter. Fotoluminesen kaadaan mantap (PL) jo fotoluminesen nan disalasaikan wakatu (TRPL) dari peluruhan maso hiduik pambaok diukua manggunoan spektrometer fotoluminesen FLS 1000. Gambar pemetaan PL diukua jo manggunoan sistem Evolusi SDM Raman LabRam Horiba. Spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FTIR) dilakukan jo manggunoan sistem NXR 9650 Nicolet Termo-Fisher.
Dalam karya ko, kami manggunoan metode pancampuran sampel jalur SSW untuak mampalajari jalur transisi fase dari fase-α ka fase-δ. Dalam metode SSW, garak pamukoan energi potensial ditantuan dek arah mode lunak acak (turunan kaduo), nan mamungkinkan kajian nan rinci jo objektif tantang pamukoan energi potensial. Dalam karya ko, pancampuran sampel jalur dilakukan pado supersel 72 atom, jo ​​labiah dari 100 pasangan kaadaan awal/akhia (IS/FS) dikumpuakan pado tingkek DFT. Badasakan himpunan data pasangan IS/FS, jalur nan mahubuangkan struktur awal jo struktur akhia dapek ditantuan jo korespondensi antaro atom, dan kamudian garak duo arah di sapanjang pamukoan satuan variabel digunoan untuak manantuan sacaro lancar metode kaadaan transisi. (VK-RANCANG). Sasudah mancari kaadaan transisi, jalur jo pambateh nan paliang randah dapek ditantuan jo caro mambarikan peringkat pado pambateh energi.
Sagalo paretongan DFT dilakukan jo manggunoan VASP (versi 5.3.5), di mano interaksi elektron-ion atom C, N, H, Pb, jo I diwakili dek skema galombang nan dikuekkan (PAW) nan diproyeksikan. Fungsi korelasi pertukaran digambarkan jo pendekatan gradien umum dalam parametrisasi Perdue-Burke-Ernzerhoff. Bateh energi untuak galombang bidang diatur manjadi 400 eV. Kisi-kisi titiak k Monkhorst-Pack mampunyoi ukuran (2 × 2 × 1). Untuak sadoalah struktur, posisi kisi jo atom dioptimalkan sapanuahnyo sampai komponen tegangan maksimum di bawah 0,1 GPa jo komponen gaya maksimum di bawah 0,02 eV/Å. Dalam model pamukaan, pamukaan FAPbI3 mampunyoi 4 lapisan, lapisan bawah mampunyoi atom-atom tatap nan mansimulasikan badan FAPbI3, jo tigo lapisan ateh dapek bagerak bebas salamo proses optimasi. Lapisan PbC2O4 taba 1 ML dan talatak pado pamukoan I-ujuang FAPbI3, di mano Pb takaik jo 1 I jo 4 O.
Untuak informasi labiah lanjuik tantang rancangan kajian, caliak Abstrak Laporan Portofolio Alam nan takaik jo artikel ko.
Sagalo data nan didapek atau dianalisa salamo panalitian ko dimasuakkan dalam artikel nan dipublikasikan, sarato dalam informasi pandukuang jo file data mentah. Data mentah nan disajikan dalam panalitian ko tasadio di https://doi.org/10.6084/m9. Data sumber disadiokan untuak artikel ko.
Hijau, M. dkk. Tabel Efisiensi Sel Surya (ed. ka-57). programnyo. listrik foto. sumber daya. pamakaian. 29, 3-15 (2021).
Parker J. dkk. Mangandalian patumbuahan lapisan perovskit manggunoan alkil amonium klorida nan mudah lapuak. Alam 616, 724-730 (2023).
Zhao Y. dkk. 2RbCl nan indak aktif (PbI2) manstabilkan film perovskit untuak sel surya nan efisiensi tinggi. Ilmu 377, 531-534 (2022).
Tan, K. dkk. Sel surya perovskit nan tabaliak jo manggunoan dopan dimetilakridinil. Alam, 620, 545-551 (2023).
Han, K. dkk. Yodida timah formamidin kristal tungga (FAPbI3): wawasan tantang sifaik struktural, optik jo listrik. kato katerangan. Mat. 28, 2253-2258 (2016).
Massey, S. dkk. Panstabilan fase perovskit hitam pado FAPbI3 jo CsPbI3. Komunikasi Energi AKS nan ado. 5, 1974-1985 (2020).
Sanak, JJ, dkk. Sel surya perovskit nan efisien malalui pangalolaan pambaok nan labiah baiak. Alam 590, 587-593 (2021).
Saliba M. dkk. Panggabungan kation rubidium ka dalam sel surya perovskit maningkekan kinerja fotovoltaik. Ilmu 354, 206-209 (2016).
Saliba M. dkk. Sel surya sesium perovskit tigo kation: maningkekan stabilitas, kamampuan untuak diproduksi jo efisiensi nan tinggi. lingkuangan energi nan ado. nan ilimu. 9, 1989-1997 (2016).
Cui X. dkk. Kamajuan baru-baru ko dalam stabilisasi fase FAPbI3 pado sel surya perovskit bakinerja tinggi Sol. RRL 6, 2200497 (2022).
Delagetta S. dkk. Pamisahan fase nan diinduksi foto nan dirasionalisasi dari perovskit organik-anorganik halida campuran. Nat. manyampaian. 8, 200 (2017).
Pangambilan celah, DJ dll. Pamisahan fase nan diinduksi dek cahayo pado panyarap perovskit halida. Komunikasi Energi AKS nan ado. 1, 1199-1205 (2016).
Chen, L. dkk. Stabilitas fase intrinsik jo celah pita intrinsik kristal tunggal perovskit timah triyodida formamidin. Anjiva. Kimia. ka-internasionalannyo. Ed. 61. 2022-12700 (2022).
Duinsti, EA dll Pahami panguraian metilendiamonium jo perannyo dalam panstabilan fase timah triyodida formamidin. J. Kimia. Jalang. 18, 10275-10284 (2023).
Lu, HZ dkk. Pengendapan uap nan efisien jo stabil dari sel surya perovskit hitam FAPbI3. Ilmu pangatahuan 370, 74 (2020).
Doherty, TAS dll Perovskit halida oktahedral nan miring stabil manakan pambentukan fase nan lokal jo ciri-ciri nan tabateh. Ilmu Pengetahuan 374, 1598-1605 (2021).
Ho, K. dkk. Mekanisme parubahan jo degradasi butiran formamidin jo perovskit sesium jo timah yodida di bawah pangaruah kalembaban jo cahayo. Komunikasi Energi AKS nan ado. 6, 934-940 (2021).
Zheng J. dkk. Pangembangan anion pseudohalida untuak sel surya perovskit α-FAPbI3. Alam 592, 381-385 (2021).