Grazie per visitar Nature.com. La versiun del browser che duperas g’ha un suport CSS limità. Per avegh di resultà püsee bon, se cunsiglia de duperà una versiun püsee nœuva del navigatur (o de disabilità la modalità de cumpatibilità en Internet Explorer). Intant, per garantir un support continuo, mustrem el sit senza stil o JavaScript.
La passivaziun di difett l’è stada ampiament duperada per mejorar la prestaziun di celùl sular perovskita de triioduro de plomb, ma l’effèt di vari difett sü la stabilità en fas α resta minga ciar; Chichinscì, duperand la teuria funziunal de la densità, identifichem per la prima volta la via de degradasiun de la perovscita de triioduro de plomb de formamidina de la fas α a la fas δ e stüdiem l’effèt di vari difett sü la barriera energètich de transiziun de fas. I resultà de la simulaziun preveden che i spazi vœui de jod g’han püsee probabilità de causar la degradasiun perché sbassan significativament la barriera energètich per la transiziun de fas α-δ e g’han l’energia de formaziun püsee basa sü la superfiss de perovscita. L’introduziun de un strat dens de ossalat de plomb insolubil en aqua sü la superfiss de la perovscita inibiss en mod significatif la decomposiziun de la fas α, prevenend la migraziun e la volatilizaziun del jod. Ancamò, chesta strategia reduss significativament la ricombinaziun interfacial minga radiativa e aumenta l’eficienza di celùl sular al 25,39% (certificà 24,92%). El dispusitif minga imbalà pœu ancamò mantegnir la sò eficienza uriginal del 92% dopu avegh funziunà a la putenza massima per 550 our sotta iradiaziun de massa d’aria simulada de 1,5 G.
L’eficienza de cunversiun de potènza (PCE) di celùl sular de perovscita (PSC) l’è rivà a un record certificà del 26%1. Dal 2015, i PSC muderni g’han preferì la perovscita de triiodur de formamidina (FAPbI3) cuma strat che assorb la lüs per sò ecelent stabilità termich e per sò gap de banda preferenzial visin al limit de Shockley-Keisser de 2,3,4. Purtropp, i pellicul FAPbI3 subisen termodinamicamente una transiziun de fas de una fas α negra a una fas δ giall minga perovscita a temperadüra ambient5,6. Per prevegnir la formaziun de la fas delta, sun stà sviluppà vari composiziun cumpless de perovscita. La stratejia plussee comuna per superar qell problema qì l’è mes’ciar FAPbI3 cont una combinazion de ion metil amonio (MA+), cesi (Cs+) e bromur (Br-)7,8,9. Però, i perovschit ibrid patisen del slargament del gap de banda e de la separaziun de fas fotoinduuda, che cumpromett la prestaziun e la stabilità operatif di PSC risultant10,11,12.
Studi recent g’han mustrà che FAPbI3 pur de monocristall senza dopà g’ha un’eccellent stabilità dovüda a la sò ecellent cristallinità e ai bas difett13,14. Donca, la reduzion dei difets cont l’aumentar la cristallinitaa de FAPbI3 a massa l’è una stratejia importanta per otener PSC eficents e stabei2,15. Però, durant el funziunament del PSC FAPbI3, la pœu verificass ancamò la degradasiun a la fas δ esagonal minga perovscita giall indesiderabil16. El prucess de solet cumencia ai superfis e ai cunfin di cereai che sun püsee suscetibil a l’aqua, al calor e a la lüs a causa de la presenza de tanti sit diferent17. Donca, la passivaziun superficial/gran l’è necesaria per stabilizar la fas negra de FAPbI318. Tanti strategì de pasivaziun di difett, cuma l’introduziun de perovschit a bas dimensiun, molecul de Lewis acid-bas e sel de alogenur de amonio, g’han fatt grand prugress in di PSC de formamidina19,20,21,22. Incœu, quasi tüt i stüdi se sun cuncentrà sul ròl di vari difett in de la determinaziun di proprietà optoeletronich cuma la ricombinaziun del portadur, la luungheza de difusiun e la strütüra de la banda en i celùl sular22,23,24. Par esempi, la teuria funziunal de la densità (DFT) l’è duperada per preveder en teoria i energie de formaziun e i nivell d’energia de trapolament di vari difett, che l’è duperada per guidar la prugetaziun pratich de passivaziun20,25,26. Cun la diminuziun del nümer di difett, la stabilità del dispusitif de solet mejora. Però, en i PSC de formamidina, i mecanism del influenza di vari difett sü la stabilità de fas e süi proprietà fotoeletrich dovarian vèss cumpletament diferent. Per quant che savèm, la cumprensiun fundamental de cuma i difett indusen la transiziun de fas cubich a esagunal (α-δ) e el ròll de la pasivaziun superficial sü la stabilità de fas de la perovscita α-FAPbI3 l’è ancamò minga ben capida.
Chichinscì, rivelem la via de degrad de la perovscita FAPbI3 de la fas α nera a la fas δ giall e l’influenza di vari difett sü la barriera energetich de la transiziun de fas α a δ travers DFT. I post vœui, che sun facilment generà durant la fabricaziun del film e el funziunament del dispusitif, sun previst per vèss püsee prubabil de cumincià la transiziun de fas α-δ. Donca, g’hem introdott un strat dens insolubil en aqua e chimicament stabil de ossalat de plomb (PbC2O4) sora FAPbI3 travers de una reaziun in situ. La superfix de ossalat de plomb (LOS) l’inibiss la formazion de I spazi vœds e la prevegn la migrazion dei ion I quand qe l’è stimolada de camp de cold, de lux e eletreg. El LOS risultant reduss significativament la ricombinaziun interfacial minga radiativa e mejiora l’eficienza PSC FAPbI3 al 25,39% (certificà al 24,92%). El dispusitif LOS minga imbalà g’ha mantegnuu el 92% de la sò eficienza uriginal dopu vèss funziunà al punt de putenza massima (MPP) per püsee de 550 ur a una massa d’aria simulada (AM) de 1,5 G de radiaziun.
Prima g’hem fatt di calcul ab initio per truvar el percors de decomposiziun de la perovscita FAPbI3 a la transiziun de la fas α a la fas δ. Travers un pruces de trasformaziun de fas detaglià, se descuvre che la trasformaziun de un otaeder tridimensiunal cun condivisiun di angul [PbI6] in de la fas α cubic de FAPbI3 a un otaeder unidimensiunal cun condivisiun di bord [PbI6] in de la fas δ esagunal de a FAPbI3 l’è. rotura 9. El Pb-I al forma un ligam ind el prim pass (Int-1), e la soa barriera enerjetega la riva a 0,62 eV/cellula, comè mostrad ind la figura 1a. Quant che l’otaeder l’è spustà in de la direziun [0\(\bar{1}\)1], la cadena cuurta esagunal se slarga de 1×1 a 1×3, 1×4 e a la fin entra in de la fas δ. El raport de urientament del inter percors l’è (011)α//(001)δ + [100]α//[100]δ. Del diagramm de distribuziun del energia, se pœu truvar che dopu la nucleaziun de la fas δ de FAPbI3 en i fasi sucesif, la barriera energetich l’è püsee basa de chela de la transiziun de fas α, che significa che la transiziun de fas la sarà acelerada. Clar, el prim pass de controllar la transizion de fas l’è fondamental se volom soprimer la degradazzion de la fas α.
un Process de trasformazion de fas de sinistra a destra - fas negra FAPbI3 (fas α), prima scissiun del ligam Pb-I (Int-1) e ulterior scissiun del ligam Pb-I (Int-2, Int -3 e Int -4) e fas gialla FAPbI3 (fas delta). b Barièr energetich a la transiziun de fas α a δ de FAPbI3 basà sü vari difett de punt intrinsech. La linea puntegiada mustra la barriera energetich de un cristal ideal (0,62 eV). c Energia de formaziun di difett de punt primari sü la superfiss de la perovscita de plomb. L’ass asciss l’è la barriera energetich de la transiziun de fas α-δ e l’ass ordinà l’è l’energia de la formaziun di difett. I part ombrià en gris, giall e verd sun rispettivament de tip I (bass EB-volt FE), tip II (volt FE) e tip III (bass EB-bass FE). d Energia de formaziun di difett VI e LOS de FAPbI3 in del cuntrol. e I barriera a la migraziun ionica in del cuntrol e in del LOS de FAPbI3. f – rapresentaziun schematich de la migraziun di ion I (sferi naranz) e gLOS FAPbI3 (gris, plomb; violett (naranz), jod (jod mobil)) in del cuntrol gf (a sinistra: vista superiur; a destra: seziun trasversal, maron); carbonio; blu ciair – azot; ross – ossigen; rosa ciair – idrogeno). I dati de origin sun furni en furma de file di dati de origin.
G’hem donc stüdià sistematicament l’influenza di vari difett de punt intrinsech (anca l’ocupaziun di antisit de PbFA, IFA, PbI e IPb; atum interstiziai Pbi e Ii; e spazi vœui VI, VFA e VPb), che sun cunsiderà fatur ciave. che causan la degradasiun de fas a nivel atomich e de energia sun mustrà in de la figüra 1b e in de la tabela suplementar 1. Curiosamente, minga tüt i difett redusen la barriera energètich de la transiziun de fas α-δ (Figura 1b). Credem che i difett che g’han bas energie de formaziun e barier energètich de transiziun de fas α-δ püsee bas sun cunsiderà danus per la stabilità de fas. Cuma ripurtà prima, i superfis rich en plomb sun de solet cunsiderà eficacc per la formamidina PSC27. Donca, se cuncentram sü la superfiss terminada a PbI2 (100) en cundiziun rich a plomb. L’energia de formaziun di difett di difett intrinsech de punt superficial l’è mustrada in de la figüra 1c e in de la tabela suplementar 1. Su la bas de la barriera energètich (EB) e del energia de formaziun de la transiziun de fas (FE), chesti difett sun clasificà en tri tip. Tip I (bass EB-volt FE): anca se IPb, VFA e VPb redusen significativament la barriera energètich a la transiziun de fas, g’han di volt energie de formaziun. Donca, credem che chesti tip de difett g’han un impatt limità süi transiziun de fas perché se furmen rarament. Tip II (EB volt): a causa de la barriera energètich de transiziun de fas α-δ mejiorada, i difett anti-sit PbI, IFA e PbFA dannezzan no la stabilità de fas de la perovscita α-FAPbI3. Tip III (bass EB-bass FE): i difett VI, Ii e Pbi cun energie de formaziun relativament bas pœden causar la degradasiun de fas negra. En particular vist el FE e l’EB VI püsee bas, credem che la strategia püsee eficaz l’è redür i post vacant.
Per redur VI, g’hem sviluppà un strat dens de PbC2O4 per mejorar la superfiss de FAPbI3. Rispet ai passivadur de sal de alogenur organich cuma iodur de feniletilemonio (PEAI) e iodur de n-ottilamonio (OAI), el PbC2O4, che g’ha nissun ion alogen mobil, l’è chimicament stabil, insolubil en aqua e facilment disativà dopu la stimolaziun. Una bona stabilizaziun del umidità superficial e del camp eletrich de la perovscita. La solubilità de PbC2O4 en aqua l’è sultant de 0,00065 g/L, che l’è anca püsee basa de chela de PbSO428. Püsee impurtant, strati dens e uniform de LOS pœden vèss preparà en mod dolz sü film de perovskita duperand reaziun in situ (varda de sotta). A’m fait dei simulazion DFT del ligam interfacial intra FAPbI3 e PbC2O4 comè mostrad ind la Figura Suplementar 1. La Tabella Suplementar 2 la presenta l'enerjia de formazion del difet dop l'iniezion de LOS. G’hem descuvert che el LOS aumenta minga sultant l’energia de formaziun di difett VI de 0,69-1,53 eV (Figura 1d), ma aumenta anca l’energia de attivaziun de I sü la superfiss de migraziun e sü la superfiss de uscita (Figura 1e). In de la prima fase, i ion I migran luungh la superfiss de la perovskita, lassand i ion VI en una posiziun reticulada cunt una barriera energètich de 0,61 eV. Dopu l’introduziun del LOS, a causa del effèt del ostacul sterich, l’energia de attivaziun per la migraziun di ion I aumenta a. 1,28 eV. Durant la migraziun di ion I che lassan la superfiss de perovscita, anca la barriera energètich in del VOC l’è superiur che in del campiun de cuntrol (Fig. 1e). I diagrama sqemateg dei vie de migrazion dei ion I ind el controll e ind el LOS FAPbI3 inn mostrads rispetivament ind la figura 1 f e g. I resultà de la simulaziun mustran che LOS pœu inibir la formaziun di difett VI e la volatilizaziun de I, prevenend inscì la nucleaziun de la transiziun de fas α a δ.
La reaziun intra l’acid ossalich e la perovscita FAPbI3 l’è stada testada. Dopu la mescolanza di soluziun de acid ossàlich e de FAPbI3, s’è furmà una grand quantità de precipitat bianch, cuma mustrà in de la figüra suplementar 2. El prudot en polvar l’è stà identificà cuma material pur PbC2O4 duperand la diffraziun di ragg X (XRD) (Figura suplementar 3) e la trasfurmaziun de Fourier infraross en4). G’hem descuvert che l’acid ossalich l’è altamente solubil en alcol isopropilich (IPA) a temperadüra ambient cunt una solubilità de circa 18 mg/mL, cuma mustrà in de la figüra suplementar 5. Chestu rend püsee facil la lavuraziun sucesiva perché l’IPA, cuma solvent de pasivaziun comun, dannez no el temp curt. Donca, cun l’immersiun del film de perovscita en una soluziun de acid ossàlich o rivestind la soluziun de acid ossal sü la perovscita, se pœu ottegnir rapidament PbC2O4 sutil e dens sü la superfiss del film de perovscita segunt la seguent equaziun chimich: H2C2O4 + FAPbI +2O4. El FAI pœu vèss dissolt en IPA e donca cavà via durant la cusina. El spessur de LOS pœu vèss cuntrulà del temp de reaziun e de la cuncentraziun di precursur.
I imagen de microscopia eletronica a scansiun (SEM) di film de perovscita de cuntrol e LOS sun mustrà en i figur 2a,b. I resultà mostran che la morfologia de la superfiss de perovscita l’è ben cunservada e un grand nümer de partisel fin sun deposità sü la superfiss del cereal, che duvarian rapresentar un strat de PbC2O4 furmà de la reaziun in situ. El film de perovskita LOS g’ha una superfiss un pooch püsee liscia (Figura 6 suplementar) e un angul de cuntatt cun l’aqua püsee grand rispett al film de cuntrol (Figura suplementar 7). La microscopia eletronica a trasmisiun trasversal a volta resoluziun (HR-TEM) l’è stada duperada per distinguir el strat supercifial del prudut. Rispett al film de cuntrol (Fig. 2c), un strat sutil uniform e dens cunt un spessur de circa 10 nm l’è visibil chiarament sora la perovscita LOS (Fig. 2d). Duperant la microscopia eletronich a scansiun anular a camp scür a volt angul (HAADF-STEM) per esaminar l’interfacia intra PbC2O4 e FAPbI3, la presenza de regiun cristallin de FAPbI3 e de regiun amorf de PbC2O4 pœu vèss osservada en mod ciar (Figura suplementar 8). La composiziun superficial de la perovscita dopu el tratament cun acid ossalich l’è stada caraterizada di misuraziun de spettroscopia fotoeletronica a ragg X (XPS), cuma mustrà en i figur 2e-g. In de la figura 2e, i picch C 1s intorna a 284,8 eV e 288,5 eV partegnen rispettivament ai segnai specifich CC e FA. Rispett a la membrana de cuntrol, la membrana LOS mustrava un picc adiziunal a 289,2 eV, atribuì a C2O42-. El spettru O 1s de la perovscita LOS mustra tri picch O 1s chimicament diferent a 531,7 eV, 532,5 eV e 533,4 eV, curispundent a COO deprotunà, C=O di grupp ossalat intatt 30 e atum O del compunent OH2e (Fig. ). )). Per el campiun de cuntrol l’è stà osservà sultant un piscinin picc de O 1s, che pœu vèss atribuì al usigen chimisorbì sü la superfiss. I carateristich de la membrana de cuntrol de Pb 4f7/2 e Pb 4f5/2 se truvan rispettivament a 138,4 eV e a 143,3 eV. Osservam che la perovscita LOS mustra un spustament del picc de Pb de circa 0,15 eV vers un’energia de ligam püsee volta, indicand un’interaziun püsee fort intra i atum C2O42- e Pb (Fig. 2g).
a imagen SEM de cuntrol e b film de perovscita LOS, vista superiur. c Microscopia eletronica a trasmisiun trasversal a volta risoluziun (HR-TEM) de cuntrol e d film de perovscita LOS. XPS a volta risoluziun de film de perovscita e C 1, f O 1 e g Pb 4f. I dati de origin sun furni en furma de file di dati de origin.
Segond i resultà DFT, l’è teoreticament previs che i difett VI e la migraziun I causan facilment la transiziun de fas de α a δ. I raport precedent g’han mustrà che I2 l’è liberà rapidament di film de perovskita basà sü PC durant la fotoimmersiun dopu avegh espost i film a stress lüminus e termich31,32,33. Per cunfermar l’effet stabilizzant del ossalato de plomb sü la fas α de la perovscita, g’hem immers i film de perovscita de cuntrol e LOS en di butèl de veder trasparent che g’havevan denter rispettivament toluene, e dopu g’hem irradià cun 1 lüs del sul per 24 h. G’hem mesurà l’assorbiment de la lüs ültraviuleta e visibil (UV-Vis). ) soluziun de toluene, cuma mustrà in de la figüra 3a. Rispett al campiun de cuntrol, l’è stada osservà un’intensità de assorbiment de I2 parècc püsee basa in del cas de la LOS-perovscita, indicand che el LOS cumpatt pœu inibir el liberà de I2 dal film de perovscita durant l’immersiun a la lüs. I fotografì de pellicul de perovskita LOS e de cuntrol vècc sun mustrà in di insert di figur 3b e c. La perovscita LOS l’è ancamò nera, menter la magiur part del film de cuntrol l’è diventà giall. I spettri de assorbiment visibil UV del film immers sun mustrà en i Fig. 3b, c. G’hem osservad che l’assorbiment curispundent a α in del film de cuntrol l’è stà chiarament diminuì. I misuraziun a ragg X sun stà fatt per documentar l’evoluziun de la strütüra cristallin. Dopu 24 ur de illuminaziun, la perovscita de cuntrol g’ha mustrà un fort segnal de fas δ giall (11,8°), menter la perovscita LOS mantegniva ancamò una bona fas negra (Figura 3d).
Spettri de assorbiment visibil ai UV di soluziun de toluene induè el film de cuntrol e el film LOS sun stà immers sotta 1 lüs del sul per 24 our. L’insert mustra una fiala induè ogni film l’è stà immers en un volum istesss de toluene. b Spettri de assorbiment UV-Vis del film de cuntrol e c film LOS prima e dopu 24 h de imersiun sotta 1 lüs del sul. L’insert mustra una fotografia del film de prœuva. d Mudei de difraziun di ragg X di film de cuntrol e LOS prima e dopu 24 h de esposiziun. Imagen SEM del film de cuntrol e e del film f LOS dopu 24 ur de esposiziun. I dati de origin sun furni en furma de file di dati de origin.
Am’è fatt di misuraziun cun microscopia eletronica a scansiun (SEM) per osservar i cambiament microstrüturai del film de perovskita dopu 24 ur de illuminaziun, cuma mustrà en i figur 3e,f. In del film de cuntrol, i grandi cereai sun stà distrutt e trasfurmà en aguj piscinin, che curispundevan a la morfologia del prudot en fas δ FAPbI3 (Fig. 3e). Per i film LOS, i cereai de perovscita restan en bon stato (Figura 3f). I resultà g’han cunfermà che la pert de I induss en mod significatif la transiziun de la fas negra a la fas gialla, menter el PbC2O4 stabiliza la fas negra, prevenend la pert de I. Cuma la densità de vœui sü la superfiss l’è tant püsee volta che in del mass del cereal,34 chesta fas l’è püsee probabil che se verifica sü la superfiss de. liberand contemporaneament el jod e formand VI. Cuma previs del DFT, el LOS pœu inibir la formaziun di difett VI e prevegnir la migraziun di ion I sü la superfiss de perovscita.
Ancamò, l’è stà stüdià l’effet del strat PbC2O4 sü la resistenza a l’umidità di film de perovskita in del aria atmosferich (umidità relatif 30-60%). Cuma mustrà in de la figüra suplementar 9, la perovscita LOS l’era ancamò nera dopu 12 dì, menter el film de cuntrol l’è diventà giall. En i misuraziun XRD, el film de cuntrol mustra un picc fort a 11,8° curispundent a la fas δ de FAPbI3, menter la perovscita LOS mantegn ben el fas α neger (Figura suplementar 10).
La fotoluminescenza a stat stazionari (PL) e la fotoluminescenza risolta in del temp (TRPL) sun stà duperà per stüdiar l’effèt de pasivaziun del ossalat de plomb sü la superfiss de perovscita. In de la Fig. La figura 4a mustra che el film LOS g’ha aumentà l’intensità PL. In del imagen de mappadura PL, l’intensità del film LOS sü l’intera area de 10 × 10 μm2 l’è superiur a chela del film de cuntrol (Figura suplementar 11), indicand che PbC2O4 pasiva en mod uniforme el film de perovscita. La durada del purtadur l’è determinada aprosimand el decadiment TRPL cunt una singula funziun espunenzial (Fig. 4b). La durada del portant del film LOS l’è de 5,2 μs, che l’è tant püsee luungh del film de cuntrol cunt una durada del portant de 0,9 μs, indicand una ricombinaziun superficial minga radiativa ridotta.
PL a stat staziunari e spettri b de PL temporane de pellicul de perovskita sü substrà de veder. c Curva SP del dispusitif (FTO/TiO2/SnO2/perovscita/spiro-OMeTAD/Au). d Spettro EQE e spettro Jsc EQE integrà dal dispusitif püsee eficient. d Dipendenza del intensità de la lüs de un dispusitif de perovscita sül diagramm Voc. f Analis tipich MKRC duperand un dispusitif de büs nett ITO/PEDOT:PSS/perovschita/PCBM/Au. VTFL l’è la tensiun massima de riempiment de la trappola. De chesti dat g’hem calculà la densità de la trapola (Nt). I dati de origin sun furni en furma de file di dati de origin.
Per stüdiar l’effet del strat de ossalat de plomb sü la prestaziun del dispusitif, l’è stada duperada una strütüra de cuntat tradiziunal FTO/TiO2/SnO2/perovscita/spiro-OMeTAD/Au. Duperam clorur de formamidina (FACl) cuma aditif al precursur de perovskita al post del cloridrato de metilamina (MACl) per utegnir una prestaziun püsee bon del dispusitif, perché FACl pœu furnir una qualità de cristall püsee bon e evitar el gap de banda de FAPbI335 (varda i figur suplementar). ). 12-14). L’IPA l’è stà scelt cuma antisolvent perché g’he dà una qualità de cristal püsee bon e un urientament preferì en i film de perovskita rispett al eter dietil (DE) o al clorobenzen (CB)36 (Figur suplementar 15 e 16). El spessur de PbC2O4 l’è stà atentament otimizà per bilanciar ben la passivaziun di difett e el trasport de la carica regulament la cuncentraziun del acid ossalich (Figura suplementar 17). I imagen trasversai SEM di dispusitif de cuntrol e LOS otimizà sun mustrà in de la figüra suplementar 18. I cürvi tipich de densità de curent (CD) per i dispusitif de cuntrol e LOS sun mustrà in de la figüra 4c e i parameter estratt sun furnì in de la tabela suplementar 3. Eficienza massima de cunversiun de putenza (Cellula J2c2)3. 25,75 mA cm-2 (25,74 mA cm-2), Voc 1,16 V (1,16 V) e scansiun inversa (avanti). El fatur de riempiment (FF) l’è del 78,40% (76,69%). El LOS PCE massim PSC l’è del 25,39% (24,79%), Jsc l’è de 25,77 mA cm-2, Voc l’è de 1,18 V, FF l’è del 83,50% (81,52%) dal invers (scansiun innanz a). El dispusitif LOS g’ha ottegnuu una prestaziun fotovoltaich certificada del 24,92% en un laboratori fotovoltaich fidà de terz part (Figura suplementar 19). L’eficienza quantistich esterna (EQE) g’ha dà un Jsc integrà de rispettivament 24,90 mA cm-2 (cuntrol) e 25,18 mA cm-2 (LOS PSC), che l’era en bon acord cun la Jsc mesurà in del spettru standard AM 1,5 G (Fig. .4d). ) . La distribuziun statistich di PCE misurà per i PSC de cuntrol e LOS l’è mustrada in de la figüra suplementar 20.
Comè mustrà in de la figüra 4e, la relaziun intra Voc e l’intensità de la lüs l’è stada calculada per stüdiar l’effèt de PbC2O4 sü la ricombinaziun superficial asistida de la trappola. La pendenza de la linea montada per el dispusitif LOS l’è de 1,16 kBT/q, che l’è püsee basa de la pendenza de la linea montada per el dispusitif de cuntrol (1,31 kBT/q), cunfermand che LOS l’è util per inibir la ricombinaziun superficial da part di eco. Duperam la tecnologia de limitaziun de curent de carica spazial (SCLC) per mesurà quantitativament la densità di difett de un film de perovscita mesurand la carateristich IV scüra de un dispusitif a büs (ITO/PEDOT:PSS/perovscita/spiro-OMeTAD/Au) cuma mustrà in de la figüra. 4f Mostra. La densità de la trapola l’è calculada cun la furmula Nt = 2ε0εVTFL/eL2, induè ε l’è la custant dieletrich relatif del film de perovskita, ε0 l’è la custant dieletrich del vœui, VTFL l’è la tensiun limit per riempir la trapola, e l’è la carica, L l’è el spessur del film de perovskita n). La densità di difett del dispusitif VOC l’è calculada cuma 1,450 × 1015 cm–3, che l’è inferiur a la densità di difett del dispusitif de cuntrol, che l’è 1,795 × 1015 cm–3.
El dispusitif minga imbalà l’è stà testà al punt de putenza massima (MPP) sotta lüs del dì cumplet sotta azot per esaminar sò stabilità de prestaziun a luungh termin (Figura 5a). Dopu 550 ur, el dispusitif LOS g’ha mantegnuu ancamò el 92% de la sò eficienza massima, menter la prestaziun del dispusitif de cuntrol l’era calada al 60% de la sò prestaziun uriginal. La distribuziun di element in del vècc dispusitif l’è stada mesürada cun la spettrometria de mass ionich segondari en temp de sœul (ToF-SIMS) (Fig. 5b, c). Un grand accumulo de jod pœu vèss vist in del area superiur de cuntrol del or. I condizion de protezion dei gas inert escluden i fator qe degraden l'ambient comè l'umiditaa e l'ossijen, qe al sujeriss qe i mecanism intern (çoè la migrazion dei ion) inn responsabei. Segond i resultà ToF-SIMS, sun stà rilevà ion I- e AuI2- in del eletrodo Au, indicand la difusiun de I de la perovskita en Au. L’intensità del segnal di ion I- e AuI2- in del dispusitif de cuntrol l’è circa 10 volt superiur a chela del campiun VOC. I raport precedent g’han mustrà che la permeaziun ionica pœu purtà a una rapida diminuziun de la condutività di büs de spiro-OMeTAD e a la corrusiun chimich del strat superiur del eletrodo, deteriorand inscì el cuntatt interfacial in del dispusitif37,38. L’eletrodo Au l’è stà eliminà e el strato spiro-OMeTAD l’è stà nettà del substrà cunt una soluziun de clorobenzene. G’hem donc caraterizà el film duperand la difraziun di ragg X de incidenza del pascù (GIXRD) (Figura 5d). I resultà mostran che el film de cuntrol g’ha un picc de difraziun evident a 11,8°, menter in del campiun LOS cumpariss nissun picc de difraziun nœuf. I resultà mustran che grandi pèrt de ion I in del film de cuntrol menan a la generaziun de la fas δ, menter in del film LOS chestu prucess l’è chiarament inibì.
575 ur de tracciament continuo MPP de un dispusitif minga sigillà en un atmosfera de azot e 1 lüs del sul senza un filter UV. Distribuziun ToF-SIMS di ion b I- e c AuI2- in del dispusitif de cuntrol MPP LOS e in del dispusitif de invegiament. I sfumatur de giall, verd e naranz curispunden a Au, Spiro-OMeTAD e perovscita. d GIXRD de film de perovscita dopu la prœuva MPP. I dati de origin sun furni en furma de file di dati de origin.
La condutività dipendent de la temperadüra l’è stada mesürada per cunfermar che PbC2O4 podaria inibir la migraziun ionica (Figura suplementar 21). L’energia de attivaziun (Ea) de la migraziun ionica l’è determinada mesurand el cambiament de condutività (σ) del film FAPbI3 a temperadür diferent (T) e duperand la relaziun Nernst-Einstein: σT = σ0exp(-Ea/kBT), induè σ0 l’è una custant, kB l’è la custant de Botzl. Ottenim el valur de Ea de la pendenza de ln(σT) cuntra 1/T, che l’è 0,283 eV per el cuntrol e 0,419 eV per el dispusitif LOS.
En suma, furnissem un quader teorich per identificar la via de degradasiun de la perovscita FAPbI3 e l’influenza di vari difett sü la barriera energètich de la transiziun de fas α-δ. Intra chesti difett, i difett VI sun previst teoreticament per causà facilment una transiziun de fas de α a δ. Un strat dens insolubel in aqua e chimegament stabel de PbC2O4 l’è introdot per stabilizar la fas α de FAPbI3 inibind la formazion de I spazi vœi e la migrazion de I ion. Chesta strategia reduss significativament la ricombinaziun interfacial minga radiativa, aumenta l’eficienza di celùl sular al 25,39% e mejora la stabilità funziunal. I noster resultads dan una guida per otegnir PSC de formamidina eficents e stabei inibind la transizion de fas α a δ indota del difet.
L’isopropossido de titanio (IV) (TTIP, 99,999%) l’è stà cumprà de Sigma-Aldrich. L’acid cloridrich (HCl, 35,0-37,0%) e l’etanol (anidro) sun stà acquistà del industria chimich de Guangzhou. SnO2 (dispersiun colloidal de ossid de stagno (IV) 15% en pes) l’è stà acquistà de Alfa Aesar. El jodur de plomb (II) (PbI2, 99,99%) l’è stà acquistà de TCI Shanghai (Cina). Iodur de formamidina (FAI, ≥99,5%), clorur de formamidina (FACl, ≥99,5%), cloridrato de metilamina (MACl, ≥99,5%), 2,2′,7,7′-tetrakis-(N , N-diossimeluaniline-9)- (Spiro-OMeTAD, ≥99,5%), sulfonilimida de bis (trifluorometan) de liti (Li-TFSI, 99,95%), butilpiridina a 4-terz (tBP, 96%) sun stà acquistà de la Società de tecnologia de lüs polimerich de Xi’an (Cina). N,N-dimetilformamida (DMF, 99,8%), sulfossid dimetil (DMSO, 99,9%), alcol isopropilico (IPA, 99,8%), clorobenzeno (CB, 99,8%), acetonitril (ACN). Acquistà de Sigma-Aldrich. L’acid ossalich (H2C2O4, 99,9%) l’è stà cumprà de Macklin. Tüt i sustanz chimich sun stà duperà cuma ricevuu senza olter modifich.
I substrat ITO o FTO (1,5 × 1,5 cm2) sun stà nettà a ultrasun cun detergent, aceton e etanol per rispettivament 10 min e dopu secc sotta un fluss de azot. Un strat dens de barriera de TiO2 l’è stà deposità sü un substrà FTO duperand una soluziun de titanio diisopropossibis (acetilacetunà) en etanol (1/25, v/v) deposità a 500 °C per 60 min. La dispersiun colloidal de SnO2 l’è stada diluida cun aqua deionizada en un raport de volum de 1:5. Sü un substrà nett tratà cun ozòn UV per 20 minut, un film sutil de nanopartisel de SnO2 l’è stà deposità a 4000 rpm per 30 segund e dopu prescaldà a 150 °C per 30 minut. Per la soluziun precursur de perovscita, sun stà dissolt en solvent misto DMF/DMSO (15/1). El strat de perovscita l’è stà preparà centrifugand 40 μL de soluziun precursur de perovscita sora el strat de SnO2 tratà cun ozon UV a 5000 rpm en aria ambient per 25 s. 5 segund dopu l’ültima volta, 50 μL de soluziun IPA MACl (4 mg/mL) sun stà slanzà rapidament sül substrà cuma antisolvent. Poeu, i film appena preparà sun stà recott a 150°C per 20 min e dopu a 100°C per 10 min. Dopu avegh rafredà el film de perovscita a la temperadüra ambient, la soluziun de H2C2O4 (1, 2, 4 mg dissolt en 1 mL IPA) l’è stada centrifugada a 4000 rpm per 30 s per pasivar la superfiss de perovscita. Una soluziun spiro-OMeTAD preparada mesculand 72,3 mg de spiro-OMeTAD, 1 ml de CB, 27 μl de tBP e 17,5 μl de Li-TFSI (520 mg en 1 ml de acetonitril) l’è stada rivestida a spin sül film a 4000 rpm denter de 4000 rpm. Finalment, un strat Au spess de 100 nm l’è stà evapurà a vœui a una velocità de 0,05 nm/s (0~1 nm), 0,1 nm/s (2~15 nm) e 0,5 nm/s (16~100 nm). ).
La prestaziun SC di celùl sular de perovscita l’è stada mesürada duperand un Keithley de 2400 meter sotta l’illuminaziun del simuladur sular (SS-X50) a un’intensità de lüs de 100 mW/cm2 e verificà duperand celùl sular en silicio standard calibrà. A men che l’è minga indicà altriment, i cürvi SP sun stà mesurà en un scatola de guant pien de azot a temperadüra ambient (~25°C) en modalità de scansiun innanz e invers (pass de tensiun 20 mV, temp de ritardo 10 ms). Una maschera d’ombra l’è stada duperada per determinar un’area eficas de 0,067 cm2 per el PSC misurà. I misuraziun EQE sun stà fatt in del aria ambient duperand un sistèm PVE300-IVT210 (Tecnologia de visiun industrial Pte Ltd) cun lüs monocromatich cuncentrada sul dispusitif. Per la stabilità del dispusitif, i test di celùl sular minga encapsulà sun stà fatt en una scatola di guant a azot a pressiun de 100 mW/cm2 senza un filter UV. ToF-SIMS l’è mesurà duperand el SIMS del temp de sœul nanoTOFII PHI. El profilament de prufondità l’è stà ottegnuu duperand una pistola a ion Ar de 4 kV cunt un’area de 400×400 μm.
I misuraziun de la spettroscopia fotoeletronich a ragg X (XPS) sun stà fatt sü un sistèm scientifich Thermo-VG (ESCALAB 250) duperand Al Kα monocromatizà (per modalità XPS) a una presiun de 5,0 × 10-7 Pa. La morfologia de la superfiss e la rugosità di film de perovskita sun stà mesurà duperand la microscopia a forza atomich (AFM) (FastScan di dimensiun de Bruker). STEM e HAADF-STEM se tegnen al STEM Titan Temis de la FEI. I spettri de assorbiment UV-Vis sun stà mesurà duperand un UV-3600Plus (Società Shimadzu). La curent limitant de la carica spazial (SCLC) l’è stada registrada sü un meter Keithley de 2400 meter. La fotoluminescenza a stat staziunari (PL) e la fotoluminescenza risolta en temp (TRPL) del decadiment de la vida del purtadur sun stà mesurà duperand un spettrometer de fotoluminescenza FLS 1000. I imagen de mappadura PL sun stà mesurà duperand un sistèm Raman Horiba LabRam Evoluziun HR. La spettroscopia a infraruss trasfurmada de Fourier (FTIR) l’è stada fada duperand un sistèm NXR 9650 de Nicolet Termo-Fisher.
En chestu mesté, duperam el metud de campiunament del percors SSW per stüdiar el percors de transiziun de fas de la fas α a la fas δ. In del metud SSW, el muviment de la superfiss de energia putenzial l’è determinà de la direziun de la modalità moll casual (segond derivà), che cunsent un stüdi detaglià e ugetif de la superfiss de energia putenzial. En chestu mesté, el campiunament del percors l’è fatt sü una supercelùla de 72 atum e püsee de 100 copi de stat inizial/final (IS/FS) sun cattà sü a livel DFT. Su la bas del insema de dati en coppi IS/FS, el percors che culega la strütüra inizial e la strütüra final pœu vèss determinà cun la curispundenza intra i atum e dopu el muviment a dü vià luungh la superfiss del unità variabil l’è duperà per determinar senza problem el metud del stat de transiziun. (VK-DESV). Dopu avegh cercà el stat de transiziun, el percors cun la barriera püsee basa pœu vèss determinà classificand i barrier energètich.
Tüt i calcul DFT sun stà fatt duperand VASP (versiun 5.3.5), induè i interaziun eletrun-ion di atum C, N, H, Pb e I sun rapresentà de un schèma de onda amplificada proiettà (PAW). La funziun de correlaziun de scambi l’è descrivuuda del aprosimaziun del gradient generalizada in de la parametrizaziun Perdue-Burke-Ernzerhoff. El limit de energia per i onde plan l’è stà fisà a 400 eV. La griglia a puunt k Monkhorst-Pack g’ha di dimensiun de (2 × 2 × 1). Per tüt i strütür, i posiziun reticul e atomich sun stà cumpletament otimizà fin quand el compunent massim de tensiun l’era sotta de 0,1 GPa e el compunent de forza massim l’era sotta de 0,02 eV/Å. Ind el modell de superfix, la superfix de FAPbI3 la g’ha 4 strats, el strat inferior al g’ha atomi fiss qe simulen el corp de FAPbI3 e i tri strats superior pœden mœver-s liberament durant el process de otimizazion. El strat PbC2O4 l’è spess 1 ML e se truva sü la superfiss I-terminal de FAPbI3, induè Pb l’è ligà a 1 I e 4 O.
Per olter informaziun sül pruget del stüdi, varda l’Astratt del Raport del Portafoglio Natüral asocià a chestu articul.
Tüt i dat ottegnuu o analizà durant chestu stüdi sun inclus in del articul püblicà, e anca in di informaziun de sustegn e in di file di dat grezz. I dat grezz presentà en chestu stüdi sun dispunibel sü https://doi.org/10.6084/m9.figshare.2410016440. I dati de origin sun fornì per chestu articul.
Verd, M. e al. Tabel de eficienza di celùl sular (57° ed.). prugrama. fotoeletrich. risorsa. aplicazion. 29, 3-15 (2021).
Parker J. e al. Cuntrular la cressita di strati de perovscita duperand clorur de alchil amonio volatil. Natura 616, 724-730 (2023).
Zhao Y. e al. L’2RbCl inatif (PbI2) stabiliza i film de perovscita per celùl sular de volta eficienza. Scienza 377, 531-534 (2022).
Tan, K. e al. Cellul sular de perovscita invertì duperand dopant dimetilacridinil. Natura, 620, 545-551 (2023).
Han, K. e al. Ioduro de plomb de formamidina monocristallin (FAPbI3): informaziun süi proprietà strütürai, otich e eletrich. averbi. Matt. 28, 2253-2258 (2016).
Massey, S. e al. La stabilizaziun de la fas perovscita negra en FAPbI3 e CsPbI3. Comunicaziun energètich AKS. 5, 1974-1985 (2020).
Tu, JJ, e al. Cellul sular eficient de perovskita travers una gestiun mejiorada del portadur. Natura 590, 587-593 (2021).
Saliba M. e al. L’incorporaziun di catiun de rubidi en i celùl sular de perovscita mejiora la prestaziun fotovoltaich. Scienza 354, 206-209 (2016).
Saliba M. e al. Cellul sular de cesi perovscita a tri catiun: stabilità, riproducibilità e volta eficienza mejiorada. ambient energètich. la scienza. 9, 1989-1997 (2016).
Cui X. e al. Progress recents ind la stabilizazion de la fas FAPbI3 ind i cellule solar de perovscita a volte prestazion Sol. RRL 6, 2200497 (2022).
Delagetta S. e al. Separaziun de fas fotoinduda raziunalizà di perovschit organich-inorganich alogenur mist. Nat. comunegar. 8, 200 (2017).
Scavatura, DJ e al. Separaziun de fas induuda de la lüs en assorbidur de perovskita de alogenur. Comunicaziun energètich AKS. 1, 1199-1205 (2016).
Chen, L. e al. Stabilità de fas intrinsech e gap de banda intrinsech de singul cristal de perovscita de trijodur de plomb de formamidina. Anjiva. Chimich. internaziunalità. Ed. 61. e202212700 (2022).
Duinsti, EA ecc. Cumprender la decomposiziun del metilendiamonio e el sò ròll in de la stabilizaziun de fas de la formamidina triioduro de plomb. J. Chimica. Putana. 18, 10275-10284 (2023).
Lu, HZ e al. Deposiziun de vapur eficient e stabil di celùl sular de perovscita nera FAPbI3. Scienza 370, 74 (2020).
Doherty, TAS ecc. I perovschit de alogenur ottaedrich inclinà stabil suprimen la furmaziun localizada de fas cun carateristich limità. Scienza 374, 1598-1605 (2021).
Ho, K. e al. Mecanism de trasformaziun e degradaziun di cereai de formamidina e di perovschit de iodur de cesi e de plomb sotta l’influenza del umidità e de la lüs. Comunicaziun energètich AKS. 6, 934-940 (2021).
Zheng J. e al. Svilupp de anion pseudoalid per i celùl sular de perovscita α-FAPbI3. Natüra 592, 381-385 (2021).