Materiaalwetenschappers streven ernaar om oppervlakte-val-gemedieerde niet-stralingsladingsrecombinatie mogelijk te maken om zeer efficiënte metaalhalogenide perovskiet fotovoltaïsche cellen (zonnecellen) te ontwikkelen. Omdat onproductieve ladingsrecombinatie bij oppervlaktedefecten de efficiëntie van hybride perovskiet-zonnecellen kan beperken, wetenschappers kunnen de defecten passiveren (een zuur-base chemische behandeling induceren) met behulp van kleine moleculaire binding. Het ionische karakter van het perovskietrooster kan moleculaire defectpassivering mogelijk maken door interacties tussen functionele groepen en oppervlaktedefecten. Echter, er bestaat een gebrek aan diepgaand begrip over hoe moleculaire configuraties de effectiviteit van passiveren kunnen beïnvloeden om rationeel moleculair ontwerp te vergemakkelijken.

In een nieuw verslag over Wetenschap , Rui Wang en een interdisciplinair onderzoeksteam in de departementen Natuurkunde, Materiaalwetenschap en techniek, nano-engineering, Chemistry &Biochemistry en het Institute of Functional Nano &Soft Materials in de VS en China, onderzocht de chemische omgeving van een functionele groep geactiveerd voor defectpassivering. Ze voerden experimenten uit om verbeterde energieconversie-efficiëntie te bereiken voor perovskiet-fotovoltaïsche cellen met behulp van theofylline, cafeïne en theobromine verbindingen die carbonyl (C=O) en aminogroepen (N-H) dragen. In met theofylline behandelde experimenten, waterstofbinding van het aminowaterstof aan oppervlaktejodide optimaliseerde de carbonylinteractie met een lood (Pb) antisietdefect om de efficiëntie van een perovskietcel te verbeteren van 21 tot 22,6 procent.

Materiaalwetenschappers implementeren defectpassivering als een belangrijke strategie om onproductieve ladingsrecombinatie te verminderen en de stroomconversie-efficiëntie (PCE) van polykristallijne metaalhalogenide perovskiet dunne-film fotovoltaïsche zonnecellen te verhogen. Gebaseerd op Lewis zuur-base chemie, de ionische aard van het perovskietrooster kan moleculaire passivering vergemakkelijken door middel van coördinaatbinding. Gebaseerd op moleculaire ontwerpregels, wetenschappers kunnen moleculen selecteren met optimale bindingsconfiguraties voor dergelijke passiveringsactiviteiten voor oppervlaktedefecten. In dit werk, Wang et al. toonde hoge efficiënties voor perovskiet (PV) apparaten via defectidentificatie en voerde een rationeel ontwerp en uitgebreid onderzoek uit van de chemische omgeving rond de actieve functionele groep voor defectpassivering. In hoogwaardige perovskiet polykristallijne dunne films met enkellagige korrels, de inwendige gebreken waren verwaarloosbaar in vergelijking met oppervlaktedefecten.

Het onderzoeksteam gebruikte berekeningen van de dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) om de vormingsenergieën van geselecteerde inheemse defecten op het perovskietoppervlak te vergelijken. Aangezien bandranden van de perovskieten zijn samengesteld uit lood (Pb) en jodium (I) orbitalen, Wang et al. specifiek onderzocht Pb en I met betrekking tot puntdefecten, Pb vacature (V _Pb ), ik vacature (V _l ) en Pb-I antisite defecten. Met behulp van röntgenfoto-elektronenspectroscopie (XPS), het onderzoeksteam bevestigde dat het oppervlak van een gefabriceerde dunne film van perovskiet die in een tweestapsmethode moet worden gesynthetiseerd om Pb-rijk te zijn. Gebruik dan de bovenste laagweergave van atomaire structuren, ze bestudeerden oppervlaktedefecten, gevolgd door de dispersiecorrectie 3 (DFT-D3) methode om defectvormingsenergieën (DFE) te berekenen. Op basis van de resultaten, het onderzoeksteam concentreerde zich op de interactie tussen het oppervlakte-Pb en het antisite-defect om kandidaat-moleculen voor defectpassivering te overwegen. Voor deze, ze kozen een kleine set moleculen die identieke functionele groepen deelden, hoewel met strategisch variërende chemische structuren om theofylline op te nemen, cafeïne en theobromine, om te gaan met de gebreken.

Deze moleculen worden meestal aangetroffen in natuurlijke producten zoals thee, koffie en chocolade, en zijn daardoor goed bereikbaar. De moleculen waren ook niet-vluchtig van aard, waardoor ze geschikt zijn voor interacties met defecten in perovskiet voor langdurige stabiliteit van het apparaat. Wang et al. theofylline op het oppervlak van een perovskiet-dunne film opgenomen via een nabehandelingstechniek om de PCE (stroomconversie-efficiëntie) van 21 procent naar 23 procent in de PV-apparaten te verbeteren. Ze testten de stroomdichtheid-spanningscurves van de PV-apparaten met en zonder theofyllinebehandeling en schreven een verbeterde nullastspanning toe (V _OC ) tot oppervlaktepassivering door theofylline als gevolg van Lewis-base-zuur-interacties tussen de C =O-groep op theofylline en de antisite Pb-oppervlaktedefecten. Vervolgens vergeleken ze de resultaten van een met theofylline behandeld apparaat met een met cafeïne behandeld perovskiet PV-apparaat.

Vervolgens, Wang et al. plaatste de N-H-groep naast de C=O (carbonyl) groep op dezelfde zesledige ring in theobromine om een ​​kortere afstand tussen de twee groepen te produceren, gevolgd door het uitschakelen van ruimtelijk effectieve interacties om een ​​nog zwakkere interactie-energie te vormen (E _int ) van -1,1 eV. De resultaten benadrukten het belang van een constructieve configuratie van N-H- en C=O-groepen om coöperatieve multisite-interacties mogelijk te maken en een synergetisch passiveringseffect mogelijk te maken om efficiënte en stabiele perovskieten te vormen. Wang et al. bestudeerde de variatie in de C=O en PbI ₂ -beëindigde perovskiet oppervlakte-interactie met verschillende configuraties met behulp van Fourier-transform infrarood (FTIR) spectroscopie. Ze onderzochten de oppervlaktepassiveringseffecten van de drie moleculen met behulp van verschillende configuraties met fotoluminescentie (PL) en zagen dat de PL-intensiteit merkbaar toenam na behandeling met theofylline. Ze observeerden ook een verhoogde PL-intensiteit na een cafeïnebehandeling, die niet zo sterk was als theofylline en verminderde PL-intensiteit voor theobromine in vergelijking met het referentiemateriaal; ze schreven dit toe aan de destructieve moleculaire configuratie van passiveringsmiddelen om verhoogde ladingsrecombinatieplaatsen te produceren.

De wetenschappers leidden vervolgens de trapdichtheid van toestanden (tDOS) af, d.w.z., het aantal staten bezet in het systeem, binnen als gefabriceerde apparaten via hoekfrequentieafhankelijke capaciteit als functie van de defecte energie. De resultaten toonden een vermindering van de valtoestanden voor met theofylline en cafeïne behandelde perovskietapparaten in vergelijking met het referentiemateriaal. In tegenstelling tot, behandeling met theobromine veroorzaakte meer valtoestanden, consistent met de waargenomen afname in PCE. Wang et al. bevestigde de verandering in tDOS met verschillende oppervlaktebehandelingen met behulp van theoretische modellering en uitgevoerde elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS) karakterisering om dragertransportprocessen onder verlichting op de interface te begrijpen.

Het apparaat met theofylline oppervlaktebehandeling had de kleinste impedantie; wat een substantieel onderdrukte ladingsrecombinatie aan de interface betekent, afkomstig van verminderde toestanden van oppervlaktedefecten. De met cafeïne behandelde apparaten registreerden een grotere impedantie, terwijl met theobromine behandelde apparaten een nog grotere impedantie vertoonden. Om perovskiet-interface behandeld met theofylline te begrijpen, de wetenschappers voerden verdere karakteriseringen uit met behulp van ultraviolette foto-elektronspectroscopie (UPS) om de oppervlaktebandstructuur te meten. Gevolgd door atomic force microscopie (AFM) gecombineerd met Kelvin probe force microscopie (KPFM) om de invloed van theofylline op oppervlaktemorfologie en oppervlaktepotentiaal te begrijpen. De met theofylline behandelde oppervlakken vertoonden een hoger elektronisch chemisch potentieel in vergelijking met de referentiefilm, terwijl de ongewijzigde oppervlaktemorfologie behouden bleef.

De perovskietfilm vertoonde een enigszins lange levensduur van de drager na behandeling met theofylline, terwijl een sneller vervalprofiel werd waargenomen bij het toevoegen van een gatentransporterende laag bovenop de film om recombinatie te verminderen en de absorptie-eigenschappen te vergroten. De verbeterde dragerdynamiek is ontstaan ​​door effectieve oppervlaktepassivering met theofylline. Toen Wang et al. verder het oppervlak gekarakteriseerd met behulp van dwarsdoorsnede-elektronenbundel-geïnduceerde stroom (EBIC)-metingen; met theofylline behandelde apparaten vertoonden een hogere EBIC-stroom in vergelijking met het referentieapparaat om een ​​verbeterde efficiëntie van het verzamelen van dragers aan te geven.

Theofyllinebehandeling zorgde ook voor minimaal verval in de perovskietlagen om te resulteren in minder oppervlakterecombinatieplaatsen en vertoonde verwaarloosbare hysterese (microscopische oppervlaktedefecten). De verbeterde houdbaarheid van met theofylline behandelde apparaten kan> 95 procent van de oorspronkelijke PCE bij opslag gedurende 60 dagen onder vochtige omstandigheden. Op deze manier, Rui Wang en collega's bereikten een stabiele stroomconversie-efficiëntie voor PV-apparaten na integratie van theofylline voor operationele stabiliteit op lange termijn.

© 2020 Wetenschap X Netwerk