Mèsi paske ou te vizite Nature.com. Vèsyon navigatè w ap itilize a pa sipòte CSS anpil. Pou pi bon rezilta, nou rekòmande pou w itilize yon vèsyon navigatè w ki pi resan (oswa dezaktive mòd konpatibilite nan Internet Explorer). Antretan, pou asire sipò kontinyèl, n ap montre sit la san stil oswa JavaScript.
Yo te lajman itilize pasivasyon domaj pou amelyore pèfòmans selil solè perovskit triyodid plon, men efè divès domaj sou estabilite faz α a rete enkoni; La a, lè l sèvi avèk teyori fonksyonèl dansite, nou idantifye pou premye fwa chemen degradasyon perovskit triyodid plon formamidin soti nan faz α rive nan faz δ epi nou etidye efè divès domaj sou baryè enèji tranzisyon faz la. Rezilta simulation yo predi ke espas vid yòd yo gen plis chans pou lakòz degradasyon paske yo siyifikativman diminye baryè enèji pou tranzisyon faz α-δ a epi yo gen pi ba enèji fòmasyon sou sifas perovskit la. Entwodiksyon yon kouch dans oksalat plon ki pa solub nan dlo sou sifas perovskit la anpeche anpil dekonpozisyon faz α a, anpeche migrasyon ak volatilizasyon yòd la. Anplis de sa, estrateji sa a siyifikativman diminye rekombinasyon entèfasyal nonradyatif la epi ogmante efikasite selil solè a a 25.39% (sètifye 24.92%). Aparèy ki pa nan anbalaj la ka toujou kenbe efikasite orijinal li ki se 92% apre li fin opere nan puisans maksimòm pandan 550 èdtan anba yon iradyasyon mas lè simile 1.5 G.
Efikasite konvèsyon pouvwa (PCE) selil solè perovskit (PSC) yo rive nan yon rekò sètifye de 26%1. Depi 2015, PSC modèn yo te prefere perovskit triyodid formamidin (FAPbI3) kòm yon kouch ki absòbe limyè akòz ekselan estabilite tèmik li yo ak espas bann preferansyèl li toupre limit Shockley-Keisser 2,3,4 la. Malerezman, fim FAPbI3 yo sibi yon tranzisyon faz tèmodinamikman soti nan yon faz α nwa rive nan yon faz δ jòn ki pa perovskit nan tanperati chanm5,6. Pou anpeche fòmasyon faz delta a, yo te devlope divès konpozisyon perovskit konplèks. Estrateji ki pi komen pou simonte pwoblèm sa a se melanje FAPbI3 ak yon konbinezon iyon metil amonyòm (MA+), sezyòm (Cs+) ak bromi (Br-)7,8,9. Sepandan, perovskit ibrid yo soufri elajisman espas bann (bandgap) ak separasyon faz fotopwovoke, ki konpwomèt pèfòmans ak estabilite operasyonèl PSC yo ki kapab lakòz10,11,12.
Etid resan yo montre ke FAPbI3 monokristal pi san okenn dopan gen yon estabilite ekselan akòz kristalinite ekselan li yo ak ti kantite domaj li yo13,14. Se poutèt sa, diminye domaj yo lè w ogmante kristalinite FAPbI3 an gwo a se yon estrateji enpòtan pou reyalize PSC efikas ak ki estab2,15. Sepandan, pandan operasyon PSC FAPbI3 la, degradasyon an faz δ egzagonal jòn ki pa perovskit la ka toujou rive16. Pwosesis la anjeneral kòmanse nan sifas ak limit grenn ki pi sansib a dlo, chalè ak limyè akòz prezans anpil zòn ki defektye17. Se poutèt sa, pasivasyon sifas/grenn nesesè pou estabilize faz nwa FAPbI318 la. Anpil estrateji pasivasyon domaj, tankou entwodiksyon perovskit ki gen ti dimansyon, molekil Lewis asid-baz, ak sèl alid amonyòm, te fè gwo pwogrè nan PSC formamidin19,20,21,22. Jiska prezan, prèske tout etid yo te konsantre sou wòl divès domaj nan detèmine pwopriyete optoelektwonik tankou rekombinasyon transpòtè, longè difizyon ak estrikti bann nan selil solè22,23,24. Pa egzanp, teyori fonksyonèl dansite (DFT) yo itilize pou predi teyorikman enèji fòmasyon ak nivo enèji pyèj divès domaj, ki lajman itilize pou gide konsepsyon pasivasyon pratik20,25,26. Ofiramezi kantite domaj yo diminye, estabilite aparèy la anjeneral amelyore. Sepandan, nan PSC formamidin yo, mekanis enfliyans divès domaj sou estabilite faz ak pwopriyete fotoelektrik yo ta dwe konplètman diferan. Nan sa nou konnen, konpreyansyon fondamantal sou fason domaj yo pwovoke tranzisyon faz kib rive egzagonal (α-δ) ak wòl pasivasyon sifas sou estabilite faz perovskit α-FAPbI3 la toujou pa byen konprann.
La a, nou revele chemen degradasyon perovskit FAPbI3 soti nan faz α nwa rive nan faz δ jòn ak enfliyans divès domaj sou baryè enèji tranzisyon faz α-a-δ atravè DFT. Yo predi ke plas vid I yo, ki fasil pou pwodui pandan fabrikasyon fim ak operasyon aparèy la, gen plis chans pou yo kòmanse tranzisyon faz α-δ a. Se poutèt sa, nou te entwodui yon kouch dans oksalat plon (PbC2O4) ki pa solub nan dlo e ki estab chimikman sou FAPbI3 atravè yon reyaksyon in situ. Sifas oksalat plon (LOS) anpeche fòmasyon plas vid I yo epi anpeche migrasyon iyon I yo lè yo stimule pa chalè, limyè, ak chan elektrik. LOS ki kapab lakòz la diminye anpil rekombinasyon entèfasyal non-radyatif epi amelyore efikasite PSC FAPbI3 a 25.39% (sètifye a 24.92%). Aparèy LOS ki pa te pake a te kenbe 92% nan efikasite orijinal li apre li te fin opere nan pwen maksimòm pouvwa (MPP) pandan plis pase 550 èdtan nan yon mas lè simile (AM) 1.5 G radyasyon.
Nou te premye fè kalkil ab initio pou nou jwenn chemen dekonpozisyon perovskit FAPbI3 la pou l fè tranzisyon soti nan faz α rive nan faz δ. Atravè yon pwosesis transfòmasyon faz detaye, nou jwenn ke transfòmasyon an soti nan yon oktaèdr [PbI6] twa dimansyon ki pataje kwen nan faz α kib FAPbI3 a rive nan yon oktaèdr [PbI6] yon dimansyon ki pataje kwen nan faz δ egzagonal FAPbI3 a reyalize. kraze 9. Pb-I fòme yon lyezon nan premye etap la (Int-1), epi baryè enèji li rive nan 0.62 eV/selil, jan yo montre nan Figi 1a. Lè oktaèdr la deplase nan direksyon [0\(\bar{1}\)1], chèn kout egzagonal la elaji soti nan 1×1 rive nan 1×3, 1×4 epi finalman antre nan faz δ a. Rapò oryantasyon tout chemen an se (011)α//(001)δ + [100]α//[100]δ. Apati dyagram distribisyon enèji a, nou ka wè ke apre nikleyasyon faz δ FAPbI3 nan etap ki vin apre yo, baryè enèji a pi ba pase sa ki nan tranzisyon faz α a, sa vle di ke tranzisyon faz la pral akselere. Li klè ke premye etap pou kontwole tranzisyon faz la enpòtan anpil si nou vle siprime degradasyon faz α a.
a Pwosesis transfòmasyon faz soti goch a dwat – faz FAPbI3 nwa (faz-α), premye fann lyezon Pb-I (Int-1) ak plis fann lyezon Pb-I (Int-2, Int -3 ak Int -4) ak faz jòn FAPbI3 (faz delta). b Baryè enèji pou tranzisyon faz α a δ FAPbI3 ki baze sou divès domaj pwen intrinsèque. Liy pwentiye a montre baryè enèji yon kristal ideyal (0.62 eV). c Enèji fòmasyon domaj pwen prensipal sou sifas perovskit plon. Aks absis la se baryè enèji tranzisyon faz α-δ a, epi aks òdone a se enèji fòmasyon domaj la. Pati ki gen koulè gri, jòn ak vèt yo se tip I (EB ba-FE wo), tip II (FE wo) ak tip III (EB ba-FE ba), respektivman. d Enèji fòmasyon domaj VI ak LOS FAPbI3 nan kontwòl la. e Baryè I pou migrasyon iyon nan kontwòl ak LOS FAPbI3. f – reprezantasyon eskematik migrasyon iyon I yo (esfè zoranj) ak gLOS FAPbI3 (gri, plon; vyolèt (zoranj), yòd (yòd mobil)) nan kontwòl gf la (agoch: vi anlè; adwat: seksyon kwa, mawon); kabòn; ble klè – azòt; wouj – oksijèn; woz klè – idwojèn). Done sous yo bay sou fòm fichye done sous.
Apre sa, nou te etidye sistematikman enfliyans plizyè domaj pwen intrinsèk (tankou okipasyon antisit PbFA, IFA, PbI, ak IPb; atòm entèstisyèl Pbi ak Ii; ak espas vid VI, VFA, ak VPb), ki konsidere kòm faktè kle. Figi 1b ak Tablo Siplemantè 1 montre faktè ki lakòz degradasyon faz atomik ak nivo enèji. Sa ki enteresan, se pa tout domaj ki diminye baryè enèji tranzisyon faz α-δ a (Figi 1b). Nou kwè ke domaj ki gen tou de enèji fòmasyon ki ba ak baryè enèji tranzisyon faz α-δ ki pi ba yo konsidere kòm danjere pou estabilite faz. Jan yo te rapòte deja, sifas ki rich an plon yo jeneralman konsidere kòm efikas pou formamidin PSC27. Se poutèt sa, nou konsantre sou sifas ki fini ak PbI2 (100) anba kondisyon ki rich an plon. Enèji fòmasyon domaj domaj pwen intrinsèk sifas yo montre nan Figi 1c ak Tablo Siplemantè 1. Baze sou baryè enèji (EB) ak enèji fòmasyon tranzisyon faz (FE), domaj sa yo klase an twa kalite. Tip I (EB ki ba - FE ki wo): Malgre ke IPb, VFA ak VPb diminye baryè enèji pou tranzisyon faz la anpil, yo gen enèji fòmasyon ki wo. Se poutèt sa, nou kwè ke kalite domaj sa yo gen yon enpak limite sou tranzisyon faz yo piske yo raman fòme. Tip II (EB ki wo): Akòz baryè enèji tranzisyon faz α-δ ki amelyore a, domaj anti-sit PbI, IFA ak PbFA yo pa domaje estabilite faz perovskit α-FAPbI3 la. Tip III (EB ki ba - FE ki ba): Defo VI, Ii ak Pbi ki gen enèji fòmasyon relativman ba ka lakòz degradasyon faz nwa. Espesyalman lè nou konsidere FE ak EB VI ki pi ba yo, nou kwè ke estrateji ki pi efikas la se diminye espas vid I yo.
Pou diminye VI, nou te devlope yon kouch dans PbC2O4 pou amelyore sifas FAPbI3. Konpare ak pasivatè sèl alid òganik tankou yodid feniletilamonyòm (PEAI) ak yodid n-oktilamonyòm (OAI), PbC2O4, ki pa gen okenn iyon alojèn mobil, li estab chimikman, li ensolub nan dlo, epi li fasil pou dezaktive lè yo estimile li. Bon estabilizasyon imidite sifas ak chan elektrik perovskit la. Solubilite PbC2O4 nan dlo se sèlman 0.00065 g/L, ki menm pi ba pase sa PbSO428. Pi enpòtan, kouch dans ak inifòm LOS yo ka prepare dousman sou fim perovskit lè l sèvi avèk reyaksyon in situ (gade anba a). Nou te fè simulation DFT sou lyezon entèfasyal ant FAPbI3 ak PbC2O4 jan yo montre nan Figi Siplemantè 1. Tablo Siplemantè 2 prezante enèji fòmasyon domaj apre enjeksyon LOS. Nou te jwenn ke LOS pa sèlman ogmante enèji fòmasyon domaj VI yo pa 0.69–1.53 eV (Figi 1d), men tou li ogmante enèji aktivasyon I nan sifas migrasyon an ak sifas sòti a (Figi 1e). Nan premye etap la, iyon I yo migre sou sifas perovskit la, kite iyon VI yo nan yon pozisyon rezo ak yon baryè enèji 0.61 eV. Apre entwodiksyon LOS la, akòz efè antrav sterik la, enèji aktivasyon pou migrasyon iyon I yo ogmante a 0.1.28 eV. Pandan migrasyon iyon I yo k ap kite sifas perovskit la, baryè enèji nan VOC la pi wo tou pase nan echantiyon kontwòl la (Fig. 1e). Dyagram eskematik chemen migrasyon iyon I nan kontwòl ak LOS FAPbI3 yo montre nan Figi 1 f ak g, respektivman. Rezilta simulation yo montre ke LOS ka anpeche fòmasyon domaj VI yo ak volatilizasyon I, kidonk anpeche nikleyasyon tranzisyon faz α a δ a.
Yo te teste reyaksyon ki genyen ant asid oksalik ak perovskit FAPbI3 la. Apre yo te fin melanje solisyon asid oksalik ak FAPbI3 yo, yo te fòme yon gwo kantite presipite blan, jan yo montre nan Figi Siplemantè 2. Yo te idantifye pwodwi an poud lan kòm materyèl PbC2O4 pi lè yo te itilize difraksyon reyon X (XRD) (Figi Siplemantè 3) ak spektroskopi enfrawouj transfòme Fourier (FTIR) (Figi Siplemantè 4). Nou te jwenn ke asid oksalik trè idrosolubl nan alkòl izopropilik (IPA) nan tanperati chanm ak yon solubilite apeprè 18 mg/mL, jan yo montre nan Figi Siplemantè 5. Sa fè pwosesis ki vin apre yo pi fasil paske IPA, kòm yon sòlvan pasivasyon komen, pa domaje kouch perovskit la apre yon ti tan29. Se poutèt sa, lè w plonje fim perovskit la nan yon solisyon asid oksalik oubyen lè w aplike yon kouch asid oksalik sou perovskit la pa spin-coating, ou ka byen vit jwenn PbC2O4 mens ak dans sou sifas fim perovskit la dapre ekwasyon chimik sa a: H2C2O4 + FAPbI3 = PbC2O4 + FAI +HI. Yo ka fonn FAI nan IPA e konsa retire li pandan kwit manje a. Yo ka kontwole epesè LOS la pa tan reyaksyon an ak konsantrasyon prekisè a.
Imaj mikwoskòp elektwonik optik (SEM) fim kontwòl ak perovskit LOS yo montre nan Figi 2a, b. Rezilta yo montre ke mòfoloji sifas perovskit la byen konsève, epi yon gwo kantite patikil amann depoze sou sifas grenn yo, ki ta dwe reprezante yon kouch PbC2O4 ki fòme pa reyaksyon in-situ a. Fim perovskit LOS la gen yon sifas yon ti kras pi lis (Figi Siplemantè 6) ak yon ang kontak dlo ki pi gwo konpare ak fim kontwòl la (Figi Siplemantè 7). Mikwoskòp elektwonik transmisyon transvèsal wo rezolisyon (HR-TEM) te itilize pou distenge kouch sifas pwodwi a. Konpare ak fim kontwòl la (Fig. 2c), yon kouch mens inifòm ak dans ak yon epesè anviwon 10 nm vizib klèman sou tèt perovskit LOS la (Fig. 2d). Lè yo itilize mikwoskòp elektwonik optik chan nwa anilè gwo ang (HAADF-STEM) pou egzamine koòdone ant PbC2O4 ak FAPbI3, yo ka obsève klèman prezans rejyon kristalin FAPbI3 ak rejyon amorf PbC2O4 (Figi Siplemantè 8). Konpozisyon sifas perovskit la apre tretman asid oksalik la te karakterize pa mezi espektroskopi fotoelektwon reyon X (XPS), jan yo montre nan Figi 2e-g. Nan Figi 2e, pik C 1s yo alantou 284.8 eV ak 288.5 eV fè pati siyal CC ak FA espesifik yo, respektivman. Konpare ak manbràn kontwòl la, manbràn LOS la te montre yon pik adisyonèl nan 289.2 eV, ki atribiye a C2O42-. Espèk O 1s perovskit LOS la montre twa pik O 1s chimikman diferan nan 531.7 eV, 532.5 eV, ak 533.4 eV, ki koresponn ak COO deprotoné, C=O gwoup oksalat entak 30 ak atòm O nan konpozan OH la (Fig. 2e). )). Pou echantiyon kontwòl la, se sèlman yon ti pik O 1s ki te obsève, ki ka atribiye a oksijèn chimisorbe sou sifas la. Karakteristik manbràn kontwòl Pb 4f7/2 ak Pb 4f5/2 yo sitiye nan 138.4 eV ak 143.3 eV, respektivman. Nou obsève ke perovskit LOS la montre yon deplasman nan pik Pb a apeprè 0.15 eV nan direksyon pou yon enèji lyezon ki pi wo, ki endike yon entèraksyon ki pi fò ant atòm C2O42- ak Pb yo (Fig. 2g).
a Imaj SEM fim kontwòl ak b fim perovskit LOS, vi anlè. c Mikwoskòp elektwonik transmisyon kwa-rezolisyon wo rezolisyon (HR-TEM) fim kontwòl ak d fim perovskit LOS. XPS wo rezolisyon fim perovskit e C 1s, f O 1s ak g Pb 4f. Done sous yo bay sou fòm fichye done sous.
Dapre rezilta DFT yo, teyorikman, yo predi ke domaj VI ak migrasyon I fasilman lakòz tranzisyon faz soti nan α rive nan δ. Rapò anvan yo te montre ke I2 libere rapidman nan fim perovskit ki baze sou PC pandan fotoimèsyon apre yo fin ekspoze fim yo a limyè ak estrès tèmik31,32,33. Pou konfime efè estabilizasyon oksalat plon sou faz α perovskit la, nou te plonje fim perovskit kontwòl ak LOS yo nan boutèy an vè transparan ki gen toluèn, respektivman, epi answit nou te iradye yo ak 1 limyè solèy pandan 24 èdtan. Nou te mezire absòpsyon limyè iltravyolèt ak limyè vizib (UV-Vis). ) solisyon toluèn, jan yo montre nan Figi 3a. Konpare ak echantiyon kontwòl la, yo te obsève yon entansite absòpsyon I2 pi ba anpil nan ka LOS-perovskit la, sa ki endike ke LOS kontra enfòmèl ant ka anpeche liberasyon I2 nan fim perovskit la pandan imèsyon limyè. Foto fim perovskit kontwòl ak LOS ki gen laj yo montre nan insert Figi 3b ak c yo. Perovskit LOS la toujou nwa, alòske pi fò nan fim kontwòl la vin jòn. Espèk absòpsyon UV-vizib fim ki te benyen an yo montre nan Figi 3b, c. Nou obsève ke absòpsyon ki koresponn ak α nan fim kontwòl la te diminye klèman. Mezi radyografi yo te fèt pou dokimante evolisyon estrikti kristal la. Apre 24 èdtan ekleraj, perovskit kontwòl la te montre yon siyal faz δ jòn ki fò (11.8°), alòske perovskit LOS la toujou kenbe yon bon faz nwa (Figi 3d).
Espèk absòpsyon UV-vizib solisyon toluèn kote fim kontwòl la ak fim LOS la te benyen anba 1 limyè solèy pandan 24 èdtan. Imaj ki anndan an montre yon ti boutèy kote chak fim te benyen nan yon volim egal toluèn. b Espèk absòpsyon UV-Vis fim kontwòl la ak fim c LOS anvan ak apre 24 èdtan imèsyon anba 1 limyè solèy. Imaj ki anndan an montre yon foto fim tès la. d Modèl difraksyon reyon X fim kontwòl ak LOS anvan ak apre 24 èdtan ekspozisyon. Imaj SEM fim kontwòl e ak fim f LOS apre 24 èdtan ekspozisyon. Done sous yo bay sou fòm fichye done sous.
Nou te fè mezi mikwoskòp elektwonik optik (SEM) pou obsève chanjman mikwostriktirèl fim perovskit la apre 24 èdtan ekleraj, jan yo montre nan Figi 3e,f. Nan fim kontwòl la, gwo grenn yo te detwi epi yo te transfòme an ti zegwi, ki te koresponn ak mòfoloji pwodwi faz δ FAPbI3 la (Fig. 3e). Pou fim LOS yo, grenn perovskit yo rete an bon kondisyon (Figi 3f). Rezilta yo te konfime ke pèt I a pwovoke tranzisyon an soti nan faz nwa a rive nan faz jòn nan yon fason siyifikatif, alòske PbC2O4 estabilize faz nwa a, sa ki anpeche pèt I a. Piske dansite plas vid la sou sifas la pi wo pase nan majorite grenn yo,34 faz sa a gen plis chans rive sou sifas grenn nan, an menm tan li lage yòd epi li fòme VI. Jan DFT te predi a, LOS ka anpeche fòmasyon domaj VI epi anpeche migrasyon iyon I yo sou sifas perovskit la.
Anplis de sa, yo te etidye efè kouch PbC2O4 la sou rezistans imidite fim perovskit yo nan lè atmosferik (imidite relatif 30-60%). Jan yo montre nan Figi Siplemantè 9, perovskit LOS la te toujou nwa apre 12 jou, alòske fim kontwòl la te vin jòn. Nan mezi XRD yo, fim kontwòl la montre yon pik fò nan 11.8° ki koresponn ak faz δ FAPbI3 la, alòske perovskit LOS la kenbe faz nwa α a byen (Figi Siplemantè 10).
Yo te itilize fotoluminesans eta fiks (PL) ak fotoluminesans rezoud nan tan (TRPL) pou etidye efè pasivasyon oksalat plon sou sifas perovskit la. Nan Figi 4a a, fim LOS la gen yon entansite PL ogmante. Nan imaj map PL la, entansite fim LOS la sou tout sifas 10 × 10 μm2 a pi wo pase sa fim kontwòl la (Figi Siplemantè 11), sa ki endike ke PbC2O4 pasive fim perovskit la inifòmman. Yo detèmine dire lavi konpòtè a lè yo apwoksime dezentegrasyon TRPL la ak yon sèl fonksyon eksponansyèl (Figi 4b). Dire lavi konpòtè fim LOS la se 5.2 μs, ki pi long pase fim kontwòl la ki gen yon dire lavi konpòtè 0.9 μs, sa ki endike yon rekombinasyon nonradyatif sifas redwi.
PL nan eta estab ak spèk b nan PL tanporè nan fim perovskit sou substrats an vè. c Koub SP aparèy la (FTO/TiO2/SnO2/perovskit/spiro-OMeTAD/Au). d Spèk EQE ak spèk Jsc EQE entegre soti nan aparèy ki pi efikas la. d Depandans entansite limyè yon aparèy perovskit sou dyagram Voc la. f Analiz MKRC tipik lè l sèvi avèk yon aparèy twou pwòp ITO/PEDOT:PSS/perovskit/PCBM/Au. VTFL se vòltaj maksimòm pou ranpli pyèj la. Apati done sa yo, nou kalkile dansite pyèj la (Nt). Done sous yo bay sou fòm dosye done sous.
Pou etidye efè kouch oksalat plon an sou pèfòmans aparèy la, yo te itilize yon estrikti kontak tradisyonèl FTO/TiO2/SnO2/perovskit/spiro-OMeTAD/Au. Nou itilize klori formamidin (FACl) kòm yon aditif nan prekisè perovskit la olye de kloridrat metilamin (MACl) pou reyalize pi bon pèfòmans aparèy la, piske FACl ka bay pi bon kalite kristal epi evite espas bann FAPbI335 la (gade Figi Siplemantè 1 ak 2 pou yon konparezon detaye). ). 12-14). Yo te chwazi IPA kòm antisolvan paske li bay pi bon kalite kristal ak oryantasyon preferansyèl nan fim perovskit konpare ak etè dyetil (DE) oswa klorobenzèn (CB)36 (Figi Siplemantè 15 ak 16). Yo te optimize epesè PbC2O4 la ak anpil atansyon pou byen balanse pasivasyon domaj ak transpò chaj la lè yo te ajiste konsantrasyon asid oksalik la (Figi Siplemantè 17). Imaj SEM kwa-seksyonèl aparèy kontwòl ak LOS optimize yo montre nan Figi Siplemantè 18. Koub dansite kouran tipik (CD) pou aparèy kontwòl ak LOS yo montre nan Figi 4c, epi paramèt yo ekstrè yo bay nan Tablo Siplemantè 3. Selil kontwòl efikasite konvèsyon pouvwa maksimòm (PCE) 23.43% (22.94%), Jsc 25.75 mA cm-2 (25.74 mA cm-2), Voc 1.16 V (1.16 V) ak eskanè ranvèse (pou pi devan). Faktè ranpli a (FF) se 78.40% (76.69%). PCE maksimòm LOS PSC se 25.39% (24.79%), Jsc se 25.77 mA cm-2, Voc se 1.18 V, FF se 83.50% (81.52%) soti nan ranvèse (Eskanè pou pi devan). Aparèy LOS la te rive nan yon pèfòmans fotovoltaik sètifye de 24.92% nan yon laboratwa fotovoltaik twazyèm pati ou fè konfyans (Figi Siplemantè 19). Efikasite kwantik ekstèn (EQE) a te bay yon Jsc entegre de 24.90 mA cm-2 (kontwòl) ak 25.18 mA cm-2 (LOS PSC), respektivman, ki te an bon akò ak Jsc ki mezire nan spectre AM 1.5 G estanda a (Fig. .4d). ). Distribisyon estatistik PCE yo mezire pou kontwòl ak LOS PSC yo montre nan Figi Siplemantè 20.
Jan yo montre nan Figi 4e, yo te kalkile relasyon ki genyen ant Voc ak entansite limyè a pou etidye efè PbC2O4 sou rekombinasyon sifas ki ede pa pyèj. Pant liy ajiste a pou aparèy LOS la se 1.16 kBT/sq, ki pi ba pase pant liy ajiste a pou aparèy kontwòl la (1.31 kBT/sq), sa ki konfime ke LOS itil pou anpeche rekombinasyon sifas pa pyèj. Nou itilize teknoloji limitasyon kouran chaj espasyal (SCLC) pou mezire kantitativman dansite domaj yon fim perovskit lè nou mezire karakteristik IV nwa yon aparèy twou (ITO/PEDOT:PSS/perovskit/spiro-OMeTAD/Au) jan yo montre nan figi 4f la. Dansite pyèj la kalkile avèk fòmil Nt = 2ε0εVTFL/eL2, kote ε se konstan dyelèktrik relatif fim perovskit la, ε0 se konstan dyelèktrik vid la, VTFL se vòltaj limit pou ranpli pyèj la, e se chaj la, L se epesè fim perovskit la (650 nm). Dansite domaj aparèy VOC la kalkile a 1.450 × 1015 cm–3, ki pi ba pase dansite domaj aparèy kontwòl la, ki se 1.795 × 1015 cm–3.
Yo te teste aparèy ki pa t anbale a nan pwen maksimòm puisans (MPP) anba gwo limyè solèy anba nitwojèn pou egzamine estabilite pèfòmans li sou yon long tèm (Figi 5a). Apre 550 èdtan, aparèy LOS la te toujou kenbe 92% nan efikasite maksimòm li, alòske pèfòmans aparèy kontwòl la te desann a 60% nan pèfòmans orijinal li. Yo te mezire distribisyon eleman yo nan ansyen aparèy la pa espektrometri mas iyon segondè tan-de-vòl (ToF-SIMS) (Fig. 5b, c). Yo ka wè yon gwo akimilasyon yòd nan zòn kontwòl lò anwo a. Kondisyon pwoteksyon gaz inaktif yo eskli faktè degradan anviwònman an tankou imidite ak oksijèn, sa ki sijere ke mekanis entèn yo (sa vle di, migrasyon iyon) responsab. Selon rezilta ToF-SIMS yo, yo te detekte iyon I- ak AuI2- nan elektwòd Au a, sa ki endike difizyon I soti nan perovskit la nan Au. Entansite siyal iyon I- ak AuI2- nan aparèy kontwòl la apeprè 10 fwa pi wo pase sa ki nan echantiyon VOC la. Rapò anvan yo te montre ke pèmeyasyon iyon ka mennen nan yon diminisyon rapid nan konduktivite twou spiro-OMeTAD la ak korozyon chimik nan kouch elektwòd ki anlè a, kidonk deteryore kontak entèfasyal la nan aparèy la37,38. Yo te retire elektwòd Au a epi yo te netwaye kouch spiro-OMeTAD la sou substra a ak yon solisyon klorobenzèn. Apre sa, nou te karakterize fim nan lè l sèvi avèk difraksyon reyon X ensidans grazing (GIXRD) (Figi 5d). Rezilta yo montre ke fim kontwòl la gen yon pik difraksyon evidan nan 11.8°, alòske pa gen okenn nouvo pik difraksyon ki parèt nan echantiyon LOS la. Rezilta yo montre ke gwo pèt iyon I nan fim kontwòl la mennen nan jenerasyon faz δ a, alòske nan fim LOS la pwosesis sa a klèman anpeche.
575 èdtan swivi MPP kontinyèl nan yon aparèy ki pa sele nan yon atmosfè nitwojèn ak 1 limyè solèy san yon filtè UV. Distribisyon ToF-SIMS iyon b I- ak c AuI2- nan aparèy kontwòl LOS MPP ak aparèy vyeyisman an. Tout koulè jòn, vèt ak zoranj yo koresponn ak Au, Spiro-OMeTAD ak perovskit. d GIXRD nan fim perovskit apre tès MPP. Done sous yo bay sou fòm dosye done sous.
Yo te mezire konduktivite ki depann de tanperati a pou konfime ke PbC2O4 te kapab anpeche migrasyon iyon yo (Figi Siplemantè 21). Yo detèmine enèji aktivasyon (Ea) migrasyon iyon an lè yo mezire chanjman nan konduktivite (σ) fim FAPbI3 la nan diferan tanperati (T) epi lè yo itilize relasyon Nernst-Einstein lan: σT = σ0exp(−Ea/kBT), kote σ0 se yon konstan, kB se konstan Boltzmann lan. Nou jwenn valè Ea a apati pant ln(σT) kont 1/T, ki se 0.283 eV pou kontwòl la ak 0.419 eV pou aparèy LOS la.
An rezime, nou bay yon kad teyorik pou idantifye chemen degradasyon perovskit FAPbI3 la ak enfliyans plizyè domaj sou baryè enèji tranzisyon faz α-δ a. Pami domaj sa yo, teyorikman, domaj VI yo predi fasilman lakòz yon tranzisyon faz soti nan α rive nan δ. Yo entwodui yon kouch dans PbC2O4 ki pa solub nan dlo epi ki estab chimikman pou estabilize faz α FAPbI3 la lè yo anpeche fòmasyon plas vid I yo ak migrasyon iyon I yo. Estrateji sa a diminye anpil rekombinasyon entèfasyal ki pa radyatif la, ogmante efikasite selil solè a a 25.39%, epi amelyore estabilite fonksyònman an. Rezilta nou yo bay gidans pou reyalize PSC formamidin efikas ak estab lè yo anpeche tranzisyon faz α rive nan δ ki pwovoke pa domaj la.
Yo te achte izopropoksid Titàn(IV) (TTIP, 99.999%) nan men Sigma-Aldrich. Yo te achte asid kloridrik (HCl, 35.0–37.0%) ak etanòl (anid) nan men Guangzhou Chemical Industry. Yo te achte SnO2 (15% pwa dispèsyon koloidal oksid eten(IV)) nan men Alfa Aesar. Yodid plon(II) (PbI2, 99.99%) nan men TCI Shanghai (Lachin). Yodid fòmamidin (FAI, ≥99.5%), klori fòmamidin (FACl, ≥99.5%), kloridrat metilamin (MACl, ≥99.5%), 2,2′,7,7′-tetrakis-(N,N-di-p))-metoksianilin)-9,9′-spirobifluorèn (Spiro-OMeTAD, ≥99.5%), bis(trifluorometàn)sulfonilimid lityòm (Li-TFSI, 99.95%), 4-tèt-butilpiridin (tBP, 96%) te achte nan men Xi'an Polymer Light Technology Company (Lachin). N,N-dimetilfòmamid (DMF, 99.8%), dimetil silfoksid (DMSO, 99.9%), alkòl izopropilik (IPA, 99.8%), klorobenzèn (CB, 99.8%), asetonitril (ACN). Achte nan men Sigma-Aldrich. Yo te achte asid oksalik (H2C2O4, 99.9%) nan men Macklin. Yo te itilize tout pwodui chimik yo jan yo te resevwa yo san okenn lòt modifikasyon.
Yo te netwaye substrats ITO oubyen FTO yo (1.5 × 1.5 cm2) avèk ultrasons avèk detèjan, asetòn, ak etanòl pandan 10 minit respektivman, epi answit yo te seche yo anba yon kouran nitwojèn. Yo te depoze yon kouch baryè dans TiO2 sou yon substrat FTO lè l sèvi avèk yon solisyon titan diizopropoksibis(asetilasetonat) nan etanòl (1/25, v/v) depoze a 500 °C pandan 60 minit. Yo te delye dispèsyon koloidal SnO2 a avèk dlo deyonize nan yon rapò volim 1:5. Sou yon substrat pwòp trete avèk ozòn UV pandan 20 minit, yo te depoze yon fim mens nanopartikil SnO2 a 4000 rpm pandan 30 segonn epi answit yo te chofe l davans a 150 °C pandan 30 minit. Pou solisyon prekisè perovskit la, yo te fonn 275.2 mg FAI, 737.6 mg PbI2 ak FACl (20 mol%) nan yon sòlvan melanje DMF/DMSO (15/1). Yo te prepare kouch perovskit la lè yo te santrifije 40 μL solisyon prekisè perovskit sou kouch SnO2 trete ak ozòn UV a 5000 rpm nan lè anbyen pandan 25 s. 5 segonn apre dènye fwa a, yo te byen vit lage 50 μL solisyon MACl IPA (4 mg/mL) sou substra a kòm yon antisolvan. Apre sa, yo te trete fim ki fèk prepare yo nan yon tanperati 150°C pandan 20 minit epi answit nan yon tanperati 100°C pandan 10 minit. Apre yo te fin refwadi fim perovskit la nan tanperati chanm, yo te santrifije solisyon H2C2O4 (1, 2, 4 mg ki fonn nan 1 mL IPA) a 4000 rpm pandan 30 s pou pasive sifas perovskit la. Yon solisyon spiro-OMeTAD prepare lè yo melanje 72.3 mg spiro-OMeTAD, 1 ml CB, 27 µl tBP ak 17.5 µl Li-TFSI (520 mg nan 1 ml asetonitril) te aplike sou fim nan pa centrifugasyon a 4000 rpm nan 30 s. Finalman, yon kouch Au 100 nm epesè te evapore anba vid nan yon vitès 0.05 nm/s (0~1 nm), 0.1 nm/s (2~15 nm) ak 0.5 nm/s (16~100 nm).
Yo te mezire pèfòmans SC selil solè perovskit yo lè l sèvi avèk yon mèt Keithley 2400 anba ekleraj similatè solè (SS-X50) nan yon entansite limyè 100 mW/cm2 epi yo te verifye l lè l sèvi avèk selil solè silikon estanda kalibre. Sòf si yo endike otreman, yo te mezire koub SP yo nan yon bwat gan plen nitwojèn nan tanperati chanm (~25°C) nan mòd eskanè devan ak dèyè (etap vòltaj 20 mV, tan reta 10 ms). Yo te itilize yon mask lonbraj pou detèmine yon zòn efektif 0.067 cm2 pou PSC ki te mezire a. Mezi EQE yo te fèt nan lè anbyen lè l sèvi avèk yon sistèm PVE300-IVT210 (Industrial Vision Technology(s) Pte Ltd) ak limyè monokromatik konsantre sou aparèy la. Pou estabilite aparèy la, yo te fè tès selil solè ki pa ankapsule yo nan yon bwat gan nitwojèn nan yon presyon 100 mW/cm2 san yon filtè UV. Yo mezire ToF-SIMS lè l sèvi avèk PHI nanoTOFII tan-de-vòl SIMS. Yo te jwenn pwofilaj pwofondè a lè l sèvi avèk yon kanon iyon Ar 4 kV ak yon sifas 400 × 400 µm.
Mezi spektroskopi fotoelektwon reyon X (XPS) yo te fèt sou yon sistèm Thermo-VG Scientific (ESCALAB 250) lè l sèvi avèk Al Kα monokromatize (pou mòd XPS) nan yon presyon 5.0 × 10–7 Pa. Mikwoskopi elektwonik optik (SEM) te fèt sou yon sistèm JEOL-JSM-6330F. Mòfoloji sifas ak aspèrite fim perovskit yo te mezire lè l sèvi avèk mikwoskopi fòs atomik (AFM) (Bruker Dimension FastScan). STEM ak HAADF-STEM yo kenbe nan FEI Titan Themis STEM. Espèk absòpsyon UV-Vis yo te mezire lè l sèvi avèk yon UV-3600Plus (Shimadzu Corporation). Kouran limitasyon chaj espasyal (SCLC) te anrejistre sou yon mèt Keithley 2400. Fotoliminesans eta estab (PL) ak fotoliminesans rezoud nan tan (TRPL) nan dekwasans lavi transpòtè a te mezire lè l sèvi avèk yon espektromèt fotoliminesans FLS 1000. Yo te mezire imaj map PL yo lè l sèvi avèk yon sistèm Horiba LabRam Raman HR Evolution. Yo te fè spektroskopi enfrawouj transfòme Fourier (FTIR) lè l sèvi avèk yon sistèm Thermo-Fisher Nicolet NXR 9650.
Nan travay sa a, nou itilize metòd echantiyonaj chemen SSW a pou etidye chemen tranzisyon faz soti nan faz α rive nan faz δ. Nan metòd SSW a, mouvman sifas enèji potansyèl la detèmine pa direksyon mòd mou o aza a (dezyèm derive), ki pèmèt yon etid detaye ak objektif sou sifas enèji potansyèl la. Nan travay sa a, echantiyonaj chemen an fèt sou yon superselil 72 atòm, epi plis pase 100 pè eta inisyal/final (IS/FS) yo kolekte nan nivo DFT la. Baze sou ansanm done pè IS/FS la, chemen ki konekte estrikti inisyal la ak estrikti final la ka detèmine ak korespondans ki genyen ant atòm yo, epi answit mouvman bidireksyonèl la sou sifas inite varyab la itilize pou detèmine metòd eta tranzisyon an san pwoblèm. (VK-DESV). Apre nou fin chèche eta tranzisyon an, nou ka detèmine chemen ki gen baryè ki pi ba a lè nou klase baryè enèji yo.
Tout kalkil DFT yo te fèt lè l sèvi avèk VASP (vèsyon 5.3.5), kote entèraksyon elektwon-iyon atòm C, N, H, Pb, ak I yo reprezante pa yon chema vag anplifye projetée (PAW). Fonksyon korelasyon echanj la dekri pa apwoksimasyon gradyan jeneralize nan parametrizasyon Perdue-Burke-Ernzerhoff la. Limit enèji pou vag plan yo te fikse a 400 eV. Griy k pwen Monkhorst-Pack la gen yon gwosè (2 × 2 × 1). Pou tout estrikti yo, pozisyon rezo ak atomik yo te optimize nèt jiskaske eleman estrès maksimòm lan te anba 0.1 GPa epi eleman fòs maksimòm lan te anba 0.02 eV/Å. Nan modèl sifas la, sifas FAPbI3 la gen 4 kouch, kouch ki anba a gen atòm fiks ki simile kò FAPbI3 la, epi twa kouch ki anlè yo ka deplase lib pandan pwosesis optimize a. Kouch PbC2O4 la gen yon epesè 1 ML epi li sitiye sou sifas I-tèminal FAPbI3 la, kote Pb lye ak 1 I ak 4 O.
Pou plis enfòmasyon sou konsepsyon etid la, gade Rezime Rapò Pòtfolyo Natirèl ki asosye ak atik sa a.
Tout done yo jwenn oswa analize pandan etid sa a enkli nan atik pibliye a, ansanm ak nan enfòmasyon sipò yo ak dosye done brit yo. Done brit yo prezante nan etid sa a disponib nan https://doi.org/10.6084/m9.figshare.2410016440. Se sous done yo ki te bay pou atik sa a.
Green, M. et al. Tablo Efikasite Selil Solè (57yèm ed.). pwogram. fotoelektrik. resous. aplikasyon. 29, 3–15 (2021).
Parker J. et al. Kontwole kwasans kouch perovskit yo lè l sèvi avèk klori alkil amonyòm temèt. Nature 616, 724–730 (2023).
Zhao Y. et al. Inaktif (PbI2)2RbCl estabilize fim perovskit pou selil solè ki gen gwo efikasite. Syans 377, 531–534 (2022).
Tan, K. et al. Selil solè perovskit envèse lè l sèvi avèk dopan dimetilakridinyl. Nature, 620, 545–551 (2023).
Han, K. et al. Yodid plon formamidin monokristalin (FAPbI3): apèsi sou pwopriyete estriktirèl, optik ak elektrik. adverb. Matt. 28, 2253–2258 (2016).
Massey, S. et al. Estabilizasyon faz perovskit nwa a nan FAPbI3 ak CsPbI3. AKS Energy Communications. 5, 1974–1985 (2020).
Ou menm, JJ, et al. Selil solè perovskit efikas atravè yon jesyon transpòtè amelyore. Nature 590, 587–593 (2021).
Saliba M. et al. Enkòporasyon kasyon rubidyòm nan selil solè perovskit amelyore pèfòmans fotovoltaik. Syans 354, 206–209 (2016).
Saliba M. et al. Selil solè sezyòm perovskit trip-kasyon: estabilite amelyore, repwodiktibilite ak efikasite segondè. anviwònman enèji. syans lan. 9, 1989–1997 (2016).
Cui X. et al. Dènye pwogrè nan estabilizasyon faz FAPbI3 nan selil solè perovskit pèfòmans segondè Sol. RRL 6, 2200497 (2022).
Delagetta S. et al. Separasyon faz fotopwovoke rasyonalize nan perovskit òganik-inòganik alid melanje. Nat. communication. 8, 200 (2017).
Slotcavage, DJ et al. Separasyon faz pwovoke pa limyè nan absòbe perovskit alid. AKS Energy Communications. 1, 1199–1205 (2016).
Chen, L. et al. Estabilite faz intrinsèque ak espas bann intrinsèque nan yon sèl kristal perovskit triyodid plon formamidin. Anjiva. Chimik. Entènasyonalite. Ed. 61. e202212700 (2022).
Duinsti, EA elatriye. Konprann dekonpozisyon metilènedyamonyòm ak wòl li nan estabilizasyon faz formamidin triyodid plon. J. Chem. Bitch. 18, 10275–10284 (2023).
Lu, HZ et al. Depozisyon vapè efikas e ki estab nan selil solè perovskit nwa FAPbI3. Syans 370, 74 (2020).
Doherty, TAS elatriye. Perovskit alid oktaedrik ki estab e ki panche yo siprime fòmasyon lokalize faz ki gen karakteristik limite. Syans 374, 1598–1605 (2021).
Ho, K. et al. Mekanis transfòmasyon ak degradasyon grenn formamidin ak perovskit sezyòm ak yodid plon anba enfliyans imidite ak limyè. AKS Energy Communications. 6, 934–940 (2021).
Zheng J. et al. Devlopman anyon pseudohalid pou selil solè perovskit α-FAPbI3. Nature 592, 381–385 (2021).