Молекулярная стратегия, нарушающая симметрию, повышает эффективность инвертированных перовскитных солнечных элементов до 26,32%
Аккумулятор FIAMM FG 10721
Исследователи применили метод коассемблирования с нарушением симметрии для улучшения покрытия и качества интерфейса в инвертированных перовскитных солнечных элементах, достигнув эффективности 26,32 % и подтвердив результат на уровне 25,67 %. Герметичное устройство сохранило 93 % своей первоначальной эффективности после 1150 часов работы в точке максимальной мощности.
Международная исследовательская группа разработала новую стратегию улучшения самоорганизующихся монослоев (СОМ), используемых в качестве слоев для переноса дырок в инвертированных перовскитных солнечных элементах. Метод, получивший название «соассемблирование с нарушением симметрии» (Symmetry-breaking co-assembly, SBC), предполагает сочетание симметричных и асимметричных молекул для подавления агрегации и улучшения покрытия поверхности.
«Вместо того чтобы синтезировать сложные и дорогостоящие асимметричные молекулы, мы добиваемся преимуществ молекулярной асимметрии путем совместной сборки широко используемого симметричного самоорганизующегося монослоя (MeO-2PACz) с простой асимметричной сопряженной молекулой (DTCA)», — рассказал автор исследования Том Ву. «Такой подход подавляет самоагрегацию молекул, значительно увеличивает площадь покрытия и улучшает качество границы раздела».
По словам Ву, его команда также разработала метод количественной атомно-силовой микроскопии и инфракрасной спектроскопии (АСМ-ИК) для прямого измерения площади покрытия самоорганизующегося монослоя на наноуровне.
«В совокупности эти достижения позволили добиться сертифицированной эффективности выше 25,6 % и превосходной стабильности работы, создав новую практическую основу для разработки интерфейсов в перовскитных фотоэлектрических элементах», — добавил он.
Исследователи выбрали MeO-2PACz в качестве молекулы-хозяина и сравнили ее с двумя коассембриями, нарушающими симметрию, в состав которых входят либо 2-тиофенкарбоновая кислота (ТСК), либо дибензо[b,d]тиофен-4-карбоновая кислота (ДБТК). Они нанесли составы MeO-2PACz, MeO-TCA и MeO-DTCA из растворов в изопропаноле с концентрацией 0,7 мг/мл на обработанные плазмой подложки из оксида индия и олова (ITO) методом центрифугирования при скорости вращения 3000 об/мин в течение 30 секунд. Затем образцы отжигали при температуре 100 °C в течение 10 минут.
Моделирование молекулярной динамики показало, что DTCA быстро связывается с субстратом ITO и подавляет агрегацию MeO-2PACz. Измерения АСМ-ИК показали покрытие поверхности 60,6% только для MeO-2PACz, 62,2% для MeO-TCA и 82,4% для MeO-DTCA.
Команда также сравнила молярные соотношения MeO и DTCA 3: 1, 4: 1 и 5: 1 и протестировала только DTCA. Оптимальным составом была признана смесь в соотношении 4:1.
Молекулярная сборка
“Смешав стандартную для отрасли симметричную SAM MeO-2PACz с малой асимметричной молекулой (DTCA), мы увеличили покрытие поверхности SAM более чем на 30%, что было определено непосредственно количественно с использованием недавно разработанного метода АСМ-ИК-анализа”, - сказал Ву. “Мы были поражены, обнаружив, что стратегическое нарушение молекулярной симметрии может дать солнечным элементам так много преимуществ, что приведет к улучшению качества интерфейса, эффективности преобразования энергии и стабильности работы ”.
Ученые построили элемент с перевернутой конфигурацией. В его основе лежали подложка из оксида индия-олова (ITO), SAM, собранный совместно с MeO-DTCA в качестве дырочно-селективного слоя (HTL), поглотитель из перовскита, слой переноса электронов метилового эфира фенил-С61-масляной кислоты (PCBM) (ETL), буферный слой из батокупроина (BCP) и серебряный электрод (Ag).
Они объяснили, что при максимальном покрытии поверхности слоями со-SAM межфазная химическая реакция под воздействием электрического напряжения и потери на безызлучательную рекомбинацию эффективно подавляются, что приводит к эффективности преобразования энергии 26,32 % и 25,34 % для площадей 0,08 см2 и 1 см2 соответственно. После 1150 часов работы в точке максимальной мощности (ТММ) герметичное устройство сохранило 93 % своей первоначальной эффективности.
«Это исследование открывает несколько интересных направлений для будущих исследований, — заключил Ву. — Новая стратегия, вероятно, применима ко многим другим молекулярным системам, и мы заинтересованы в расширении библиотеки молекулярных комбинаций, нарушающих симметрию, и в разработке правил проектирования, которые связывают молекулярную симметрию, дипольный момент и покрытие поверхности. Во-вторых, мы хотим применить эти принципы молекулярного проектирования к модулям большой площади и тандемным солнечным элементам». Наконец, наша количественная методика АСМ-ИК позволяет по-новому исследовать ультратонкие молекулярные слои с помощью количественного подхода, что может принести пользу не только фотовольтаике, но и другим устройствам, в которых используются такие молекулярные слои».
Исследование под названием «Соассемблирование сопряженных молекул с нарушением симметрии повышает эффективность перовскитных фотоэлементов» было опубликовано в журнале Nature Communications. В исследовании приняли участие ученые из Гонконгского политехнического университета в Китае, Шэньчжэньского университета передовых технологий, Китайской академии наук, Северо-Западного политехнического университета и Университета Грейт-Бэй, Университета Нового Южного Уэльса в Австралии, Университета Суррея в Великобритании, Корейского университета в Южной Корее и Технологического института Карлсруэ (KIT) в Германии.