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相關(guān)成果以“鈣鈦礦/聚合物的多模式反應(yīng)與鈣鈦礦太陽能電池中的深能級陷阱的關(guān)聯(lián)性”為題發(fā)表知識和技能。希望該研究能為您的科學(xué)研究或工業(yè)生產(chǎn)帶來一些靈感和啟發(fā)。

正文

隨著全球?qū)沙掷m(xù)能源需求的不斷增長新模式，太陽能作為一種清潔且可再生的能源資源實現，受到了廣泛關(guān)注。鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）因其優(yōu)異的光電性能和可調(diào)節(jié)的帶隙寬度，成為了近年來光伏領(lǐng)域的研究熱點服務體系。尤其是其在單結(jié)和疊層太陽能電池中的應(yīng)用說服力，取得了顯著進展。然而分析，盡管鈣鈦礦材料具有諸多優(yōu)勢表示，但p-i-n結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽能電池的效率仍低于n-i-p結(jié)構(gòu)，其主要限制因素是鈣鈦礦表面存在的少數(shù)載流子深能級陷阱非常激烈。

這些深能級陷阱不僅會導(dǎo)致光生載流子的復(fù)合拓展基地，降低器件的開路電壓（Voc）和填充因子（FF），還會在長期運行中引發(fā)器件的穩(wěn)定性問題實力增強。因此，如何有效鈍化這些深能級陷阱探索創新，成為提升鈣鈦礦太陽能電池性能的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一帶來全新智能。

近年來，研究者們嘗試了多種鈍化策略新產品，包括使用小分子去完善、金屬氧化物以及聚合物等材料來改善鈣鈦礦表面的缺陷態(tài)。其中長遠所需，聚合物因其可調(diào)控的結(jié)構(gòu)和功能基團範圍，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而紮實做，目前對于聚合物鈍化鈣鈦礦的研究仍處于探索階段空間廣闊，尤其是如何通過聚合物與鈣鈦礦之間的多模式反應(yīng)來實現(xiàn)高效的鈍化效果。

本研究聚焦于聚乙烯亞胺（PEI）家族的胺基團在不同配置和質(zhì)子化狀態(tài)下的反應(yīng)提供深度撮合服務，揭示了一種原位質(zhì)子化過程服務品質，并將其與鈣鈦礦表面少數(shù)載流子的深能級陷阱減少相關(guān)聯(lián)。通過結(jié)合X射線光電子能譜（XPS）組成部分、深能級瞬態(tài)譜（DLTS）和密度泛函理論（DFT）等多種表征手段影響，我們詳細研究了PEI與鈣鈦礦之間的相互作用機制，并驗證了這種多模式鈍化策略在不同帶隙鈣鈦礦中的普適性的過程中。實驗結(jié)果表明發展契機，經(jīng)過PEI鈍化處理的鈣鈦礦太陽能電池不僅實現(xiàn)了顯著提升的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE），還表現(xiàn)出優(yōu)異的運行穩(wěn)定性促進進步，為鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化應(yīng)用提供了新的思路和方法發力。

結(jié)果與討論

原位質(zhì)子化過程

研究發(fā)現(xiàn)，PEI在鈣鈦礦表面的反應(yīng)與在ITO上的反應(yīng)截然不同競爭激烈。在鈣鈦礦表面持續創新，PEI的胺基團（R-NH2）與鈣鈦礦中的甲酰胺基團（FA）發(fā)生原位質(zhì)子化反應(yīng)，生成質(zhì)子化的胺基團（R-NH3+）。XPS結(jié)果顯示協調機製，隨著PEI濃度的增加信息化，質(zhì)子化胺基團的特征峰逐漸增強，表明原位質(zhì)子化過程的發(fā)生實踐者。  

具體而言取得明顯成效，XPS譜圖中出現(xiàn)了新的N 1s峰，位于401.98 eV數據，對應(yīng)于質(zhì)子化的胺基團（R-NH3+）創新的技術，這表明PEI與鈣鈦礦之間發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)PEI濃度為0.025%時顯著，質(zhì)子化過程達到飽和快速增長，此時R-NH3+與FA的峰面積比達到最大值。這一結(jié)果表明占，原位質(zhì)子化過程對于鈣鈦礦表面的鈍化至關(guān)重要高質量。

圖1 (A) 裸鈣鈦礦（圖中稱為“PVK”）在ITO上的N 1s XPS譜圖，裸PEIE在ITO上的N 1s XPS譜圖供給，以及不同濃度（0.015%–0.05%）PEIE包覆的鈣鈦礦的N 1s XPS譜圖的方法。在XPS譜圖中識別并擬合了三種氮的成分：鈣鈦礦中的甲酰胺（FA）基團（記為峰1，灰色）進行探討；PEIE中的胺基團（R-NH2落到實處，峰2，紫色）最新；以及PEIE中質(zhì)子化的胺基團（R-NH3+技術創新，峰3，紅色）體驗區。(B）和（C) 分別為不同濃度PEIE包覆的鈣鈦礦的I 3d (B) 和Pb 4f (C) 的XPS譜圖增多。(D)從N 1s XPS譜圖擬合曲線中提取的質(zhì)子化胺（峰3）與FA（峰1）的XPS峰面積比（紅色方塊）。PEIE包覆的鈣鈦礦相對于裸鈣鈦礦的Pb 4f（綠色圓圈）有望、I 3d（橙色圓圈）和FA（黑色圓圈）峰的結(jié)合能偏移進一步推進；PEIE在鈣鈦礦上相對于裸PEIE在ITO上的胺（R-NH2，紫色圓圈）峰的結(jié)合能偏移方案。負(fù)值表示結(jié)合能向低能級偏移應用的選擇。(E) PEIE在ITO上的物理吸附示意圖（左）和原位質(zhì)子化PEIE在鈣鈦礦上的化學(xué)吸附示意圖（右）。(F) 提出的鈣鈦礦/PEIE界面處的反應(yīng)公式左右。方案（E） 和（F）中的圓圈1背景下、2和3分別對應(yīng)XPS譜圖（A）中的氮峰1、2和3可靠保障。(G) PEIE在ITO上自然條件、PEIE在鈣鈦礦上以及鈣鈦礦在ITO上（PVK）的和頻光譜（SFG）圖設計標準。插入圖顯示了SFG測試方法。(H) ITO上覆蓋PEIE后的功函數(shù)（WF）偏移互動互補，相對于裸ITO（藍色實心方塊發揮重要帶動作用，參考文獻中的數(shù)據(jù)用藍色空心方塊表示）。鈣鈦礦上覆蓋PEIE后的功函數(shù)偏移意料之外，相對于裸鈣鈦礦（黑色實心方塊）文化價值。誤差條表示標(biāo)準(zhǔn)偏差。(I) FAI置之不顧、PEIE以及FAI與PEIE反應(yīng)產(chǎn)物的1H NMR譜圖不斷完善。插入圖顯示了FAI溶液在與PEIE反應(yīng)前后的照片。

深能級陷阱的鈍化

通過DLTS測試方便，研究團隊發(fā)現(xiàn)PEI鈍化后的鈣鈦礦器件中少數(shù)載流子的深能級陷阱密度顯著降低著力提升。具體而言，PEI鈍化后的器件中僅檢測到一個p型陷阱（D3）傳遞，其陷阱密度為3.01×1013cm-3重要意義，遠低于未鈍化器件中的D1（1.66×1014cm-3）和D2（7.6×1013cm-3）。DFT計算進一步揭示了原位質(zhì)子化過程對深能級陷阱的鈍化機制：質(zhì)子化的PEI通過增強界面電荷轉(zhuǎn)移更加廣闊，削弱了碘原子間的耦合，從而消除了對應(yīng)的空穴陷阱態(tài)提高。

圖2 由鈣鈦礦/PEIE界面反應(yīng)導(dǎo)致的深能級陷阱鈍化 (A) 裸鈣鈦礦（對照組可以使用，黑色）和PEIE包覆鈣鈦礦器件（PEIE，紅色）的深能級瞬態(tài)譜（DLTS）信號紮實。D1效高化、D2和D3表示通過DLTS揭示的少數(shù)載流子的三個深能級陷阱。(B) 從DLTS信號獲得的阿倫尼烏斯（Arrhenius）圖投入力度。圖（A）中的數(shù)據(jù)點是通過離散拉普拉斯變換計算DLTS信號中包含的內(nèi)部瞬態(tài)得到的創造，而實線是對數(shù)據(jù)點的線性擬合。對照組（C）和PEIE鈍化（D）器件的能帶結(jié)構(gòu)以及深能級陷阱貢獻法治。峰的位置和高度分別對應(yīng)于D1設備製造、D2和D3陷阱的深度和密度。導(dǎo)帶最小值（EC）攻堅克難、價帶最大值（EV）和費米能級（EF）均來自紫外光電子能譜（UPS）管理。(E) 對照組鈣鈦礦（黑色）、碘間隙缺陷（Ii雙向互動，藍色）和PEIE鈍化鈣鈦礦（紅色）的態(tài)密度（DOS）效率和安。(F–I) 分別展示了具有碘間隙缺陷（Ii）的鈣鈦礦表面（對照組）和PEIE鈍化鈣鈦礦表面（PEIE）的原子結(jié)構(gòu)（F和H）以及電荷轉(zhuǎn)移（G和I）。電子的積累和耗散分別用紅色和綠色表示品牌。

從圖2的DLTS譜圖中可以看出深入開展，PEI鈍化后的器件在高溫區(qū)（120-420 K）的陷阱態(tài)密度顯著降低更為一致，這表明PEI鈍化有效減少了少數(shù)載流子的復(fù)合。此外技術的開發，PEI鈍化后的器件在低溫度區(qū)（120-200 K）也顯示出更少的陷阱態(tài)研究與應用，這進一步證實了PEI鈍化的有效性。

不同PEI配置的影響

研究還對比了線性PEI（PEIL）服務品質、支化PEI（PEIB）和乙氧基化PEI（PEIE）的鈍化效果的發生。結(jié)果表明，PEIE在溶液加工性和界面鈍化效果上具有最佳平衡影響。支化PEI雖然也能提升Voc重要手段，但對Jsc的影響較大；而線性PEI則對Voc提升有限穩定性。

圖3 太陽能電池特性表征(A和B) p-i-n不透明太陽能電池的器件結(jié)構(gòu)(A)及其對應(yīng)的掃描電子顯微鏡(SEM)截面圖(B)像一棵樹。  

(C)不同濃度PEIE鈍化的鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)統(tǒng)計分布。箱線圖展示了數(shù)據(jù)的五數(shù)概要：最小值去突破、最大值能運用、樣本中位數(shù)以及第一和第三四分位數(shù)。(D) PEI聚合物的不同構(gòu)型智能設備。(E) 使用不同PEI聚合物和LiF鈍化的p-i-n電池的J-V曲線不可缺少。(F) 使用PEIE鈍化的1.65 eV p-i-n電池（面積=0.06 cm2）的J-V曲線和穩(wěn)態(tài)效率。穩(wěn)態(tài)效率通過最大功率點跟蹤（MPPT）獲得特點。(G) p-i-n頂照半透明（semi-T）太陽能電池的器件結(jié)構(gòu)積極回應。(H) 使用PEIE鈍化的大面積（1 cm2）半透明1.65 eV p-i-n電池的J-V曲線和穩(wěn)態(tài)效率。(I) 使用PEIE鈍化的1.55 eV p-i-n電池（面積=0.06 cm2）的J-V曲線和穩(wěn)態(tài)效率又進了一步。(J 和 K) 在加速條件下多種場景，PEIE鈍化的p-i-n電池的長期熱穩(wěn)定性(J)和連續(xù)MPPT運行穩(wěn)定性(K)。

本文中使用的光電測試系統(tǒng)是卓立漢光公司的DSR600光電探測器光譜響應(yīng)度標(biāo)定系統(tǒng)規劃。DSR600光電探測器光譜響應(yīng)度標(biāo)定系統(tǒng)結(jié)合了北京卓立漢光儀器有限公司給多家科研單位定制的光譜響應(yīng)系統(tǒng)的特點和經(jīng)驗擴大公共數據，采用國家標(biāo)準(zhǔn)計量方法進行全自動測試，是光電器件帶動擴大、光電轉(zhuǎn)換材料的光譜響應(yīng)性能研究的*備工具核心技術體系。

結(jié)論

本研究揭示了PEI與鈣鈦礦之間的原位質(zhì)子化過程，并證明了其在減少少數(shù)載流子深能級陷阱方面的有效性持續發展。通過優(yōu)化PEI的配置和濃度初步建立，實現(xiàn)了高效且穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池。這一發(fā)現(xiàn)不僅為鈣鈦礦太陽能電池的表面鈍化提供了新的思路供給，也為未來鈣鈦礦/聚合物界面設(shè)計提供了理論指導(dǎo)的方法。研究團隊制備了1.65 eV帶隙的p-i-n鈣鈦礦太陽能電池，實現(xiàn)了22.3%的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）進行探討，相比未鈍化器件提升了約15%落到實處。此外服務水平，PEI鈍化后的器件在85°C加速老化測試中表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，1000小時后性能無明顯衰減技術創新。  

PEI鈍化后的器件在開路電壓（Voc）和填充因子（FF）上顯著提升處理方法，而短路電流密度（Jsc）保持不變。這表明PEI鈍化主要通過減少非輻射復(fù)合來提升器件性能優化服務策略，而不是通過增加光吸收關規定。此外，PEI鈍化后的器件在最大功率點（MPP）跟蹤測試中表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性兩個角度入手，1000小時后性能無明顯下降建強保護。

通訊作者及其團隊介紹

徐集賢，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授生產效率，博士生導(dǎo)師使命責任。主要從事鈣鈦礦太陽能電池及相關(guān)光電材料的研究工作。近年來在高效鈣鈦礦太陽能電池的界面工程和穩(wěn)定性提升方面取得了多項重要成果使用，相關(guān)工作發(fā)表在《Science》《Nature Energy》《Joule》等國際知*期刊合規意識。

相關(guān)產(chǎn)品推薦

本研究采用的是北京卓立漢光儀器有限公司DSR600光電探測器光譜響應(yīng)度標(biāo)定系統(tǒng)。如需了解該產(chǎn)品有效性，歡迎咨詢創新內容。

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