Gli scienziati dei materiali mirano a consentire la ricombinazione di carica non radiativa mediata dalla trappola superficiale per progettare impianti fotovoltaici di perovskite ad alogenuri metallici (celle solari) altamente efficienti. Poiché la ricombinazione di carica improduttiva ai difetti superficiali può limitare l'efficienza delle celle solari a perovskite ibrida, gli scienziati possono passivare i difetti (indurre un trattamento chimico acido-base) usando piccoli legami molecolari. Il carattere ionico del reticolo di perovskite può consentire la passivazione di difetti molecolari attraverso interazioni tra gruppi funzionali e difetti superficiali. Però, esiste una mancanza di comprensione approfondita su come le configurazioni molecolari possono influenzare l'efficacia della passivazione per facilitare la progettazione molecolare razionale.

In un nuovo rapporto su Scienza , Rui Wang e un gruppo di ricerca interdisciplinare nei dipartimenti di Fisica, Scienza e ingegneria dei materiali, Nanoingegneria, Chimica e biochimica e l'Istituto di nanomateriali funzionali e materiali morbidi negli Stati Uniti e in Cina, ha studiato l'ambiente chimico di un gruppo funzionale attivato per la passivazione del difetto. Hanno condotto esperimenti per ottenere maggiori efficienze di conversione di potenza per il fotovoltaico a perovskite utilizzando teofillina, composti di caffeina e teobromina recanti gruppi carbonilici (C=O) e amminici (N-H). Negli esperimenti trattati con teofillina, il legame idrogeno dell'amino idrogeno allo ioduro superficiale ha ottimizzato l'interazione carbonilica con un difetto antisito del piombo (Pb) per migliorare l'efficienza di una cella di perovskite dal 21 al 22,6%.

Gli scienziati dei materiali implementano la passivazione dei difetti come strategia importante per ridurre la ricombinazione di carica improduttiva e aumentare l'efficienza di conversione di potenza (PCE) dei fotovoltaici a film sottile di perovskite ad alogenuri metallici policristallini per le celle solari. Basato sulla chimica acido-base di Lewis, la natura ionica del reticolo di perovskite può facilitare la passivazione molecolare attraverso il legame di coordinate. Basato su regole di progettazione molecolare, gli scienziati possono selezionare molecole con configurazioni di legame ottimali per tali attività di passivazione dei difetti superficiali. In questo lavoro, Wang et al. hanno dimostrato elevate efficienze per i dispositivi in ​​perovskite (PV) tramite l'identificazione dei difetti e hanno condotto una progettazione razionale e indagini approfondite sull'ambiente chimico che circonda il gruppo funzionale attivo per la passivazione dei difetti. In film sottili di perovskite policristallina di alta qualità con grani monostrati, i difetti interni erano trascurabili rispetto ai difetti superficiali.

Il team di ricerca ha utilizzato calcoli della teoria del funzionale della densità (DFT) per confrontare le energie di formazione di difetti nativi selezionati sulla superficie della perovskite. Poiché i bordi di banda delle perovskiti sono composti da orbitali di piombo (Pb) e iodio (I), Wang et al. Pb e I-che coinvolgono difetti puntuali specificamente studiati, Pb posto vacante (V _Pb ), io posto vacante (V _io ) e difetti antisito Pb-I. Utilizzando la spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS), il team di ricerca ha confermato che la superficie del film sottile di perovskite come fabbricato da sintetizzare in un metodo in due fasi è ricca di Pb. Quindi, utilizzando la vista dello strato superiore delle strutture atomiche, hanno studiato i difetti superficiali, seguito dal metodo di correzione della dispersione 3 (DFT-D3) per calcolare le energie di formazione del difetto (DFE). In base ai risultati, il team di ricerca si è concentrato sull'interazione tra il Pb superficiale e il difetto antisito per considerare le molecole candidate per la passivazione del difetto. Per questo, hanno scelto un piccolo insieme di molecole che condividevano gruppi funzionali identici, sebbene con strutture chimiche strategicamente variabili per includere teofillina, caffeina e teobromina, interagire con i difetti.

Queste molecole si trovano tipicamente in prodotti naturali come il tè, caffè e cioccolato, e sono quindi facilmente accessibili. Le molecole erano anche di natura non volatile, rendendoli adatti alle interazioni con i difetti della perovskite per la stabilità del dispositivo a lungo termine. Wang et al. ha incorporato la teofillina sulla superficie di un film sottile di perovskite tramite una tecnica di post-trattamento per migliorare la PCE (efficienza di conversione di potenza) dal 21 percento al 23 percento nei dispositivi fotovoltaici. Hanno testato le curve densità di corrente-tensione dei dispositivi fotovoltaici con e senza trattamento con teofillina e hanno accreditato una tensione a circuito aperto potenziata (V _OC ) alla passivazione superficiale da parte della teofillina dovuta alle interazioni acido base di Lewis tra il gruppo C=O sulla teofillina e i difetti superficiali dell'antisito Pb. Hanno quindi confrontato i risultati di un dispositivo trattato con teofillina con un dispositivo fotovoltaico perovskite trattato con caffeina.

Successivamente, Wang et al. localizzato il gruppo NH vicino al gruppo C=O (carbonile) sullo stesso anello a sei membri in teobromina per produrre una distanza più breve tra i due gruppi, seguito dalla disabilitazione delle interazioni spazialmente efficaci per formare un'energia di interazione ancora più debole (E _int ) di -1,1 eV. I risultati hanno sottolineato l'importanza della configurazione costruttiva dei gruppi NH e C=O per consentire interazioni multisito cooperative e consentire l'effetto di passivazione sinergica per formare perovskiti efficienti e stabili. Wang et al. studiato la variazione di C=O e PbI ₂ -interazione di superficie perovskite terminata con diverse configurazioni mediante spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FTIR). Hanno esaminato gli effetti di passivazione superficiale delle tre molecole utilizzando diverse configurazioni con fotoluminescenza (PL) e hanno osservato che l'intensità del PL aumenta notevolmente dopo il trattamento con teofillina. Hanno anche osservato una maggiore intensità del PL dopo il trattamento con caffeina, che non era forte come la teofillina e ha diminuito l'intensità del PL per la teobromina rispetto al materiale di riferimento; hanno attribuito questo alla configurazione molecolare distruttiva degli agenti di passivazione per produrre maggiori siti di ricombinazione di carica.

Gli scienziati hanno quindi dedotto la densità di stati della trappola (tDOS), cioè., il numero di stati occupati nel sistema, all'interno di dispositivi come fabbricati tramite capacità dipendente dalla frequenza angolare in funzione dell'energia del difetto. I risultati hanno dimostrato una riduzione degli stati di trappola per i dispositivi di perovskite trattati con teofillina e caffeina rispetto al materiale di riferimento. In contrasto, il trattamento con teobromina ha indotto più stati trappola, coerente con la diminuzione osservata della PCE. Wang et al. ha confermato il cambiamento in tDOS con diversi trattamenti superficiali utilizzando la modellazione teorica e la caratterizzazione condotta mediante spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) per comprendere i processi di trasporto del vettore sotto illuminazione all'interfaccia.

Il dispositivo con trattamento superficiale con teofillina aveva l'impedenza più piccola; indicando una ricombinazione di carica sostanzialmente soppressa all'interfaccia, originati da stati di difetto superficiale ridotto. I dispositivi trattati con caffeina hanno registrato un'impedenza maggiore mentre i dispositivi trattati con teobromina hanno dimostrato un'impedenza ancora maggiore. Per comprendere l'interfaccia della perovskite trattata con teofillina, gli scienziati hanno condotto ulteriori caratterizzazioni utilizzando la spettroscopia fotoelettronica ultravioletta (UPS) per misurare la struttura della banda superficiale. Seguito da microscopia a forza atomica (AFM) combinata con microscopia a forza di sonda Kelvin (KPFM) per comprendere l'influenza della teofillina sulla morfologia e sul potenziale di superficie. Le superfici trattate con teofillina hanno mostrato un potenziale chimico elettronico più elevato rispetto al film di riferimento pur mantenendo la morfologia superficiale invariata.

Il film di perovskite ha mostrato una durata del vettore leggermente lunga dopo il trattamento con teofillina, osservando un profilo di decadimento più rapido dopo l'aggiunta di uno strato di trasporto dei fori sulla parte superiore del film per ridurre la ricombinazione e aumentare le proprietà di assorbimento. La dinamica del vettore migliorata ha avuto origine a causa di un'efficace passivazione superficiale con teofillina. Quando Wang et al. caratterizzato ulteriormente la superficie utilizzando misurazioni di corrente indotta da fascio di elettroni (EBIC) a sezione trasversale; I dispositivi trattati con teofillina hanno mostrato una corrente EBIC maggiore rispetto al dispositivo di riferimento per indicare una maggiore efficienza di raccolta del vettore.

Il trattamento con teofillina ha anche consentito un decadimento minimo negli strati di perovskite per provocare un minor numero di siti di ricombinazione superficiale e ha mostrato un'isteresi trascurabile (difetti superficiali microscopici). La maggiore stabilità a scaffale dei dispositivi trattati con teofillina potrebbe mantenere> 95 percento del suo PCE originale dopo lo stoccaggio in condizioni ambientali di umidità per 60 giorni. In questo modo, Rui Wang e colleghi hanno raggiunto un'efficienza di conversione di potenza stabile per i dispositivi fotovoltaici dopo aver incorporato la teofillina per la stabilità operativa a lungo termine.

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