研究成果と重点

ペロブスカイト太陽電池（PSC）効率は顕著に向上したが、開放電圧（VOC）まだ理論の限界を下回っている。これは主にエネルギー階層の不整合と重要なインタフェース（特にSnO₂/ペロブスカイト埋蔵界面）の非放射再結合損失。埋蔵インタフェースの欠陥が主な問題であり、このインタフェースを正確に調整することが向上であるPSCパフォーマンスの鍵。

これは国際的なトップレベルの定期刊行物に発表されたアドバンスマテリアル (Adv. Mater.)による研究香港理工大学の李剛（ガン リー)教授とクアン リュー教授チーム、および香港大学のジンヤオ タン教授と李明亮助教授チーム共同指導。対するVOC損失問題は、革新的な「埋蔵インタフェース制御（埋められたインターフェース規制、BIM）」戦略、特定の自己集合両親媒性ホスホン酸エステル誘導体（MeOBTBT-POET）、SnO₂/ペロブスカイト埋蔵インタフェースを構築する「ペロブスカイト結晶駆動テンプレート」。このテンプレートは固体を通して-固相変化過程の自己集合は高度に配向した超分子構造を形成する。

核心概念と作用メカニズム－研究の焦点MeOBTBT-POET埋蔵インタフェースにおける超分子テンプレートの多重重要な役割：

•ゆうどうゆうせんけっしょうせいちょう：ペロブスカイトの形成を促進することが非常に好ましい 面外方向に向かう(100)結晶方向は、キャリアの垂直輸送に有利である。DFT の計算によると、(100)めんそうごさよう(-0.94 eV）。

•最適なエネルギーレベル位置合わせとキャリア抽出：材料双極子モーメント（1.89 D）インタフェースのエネルギーレベルを調整し、電子抽出障壁を0.24 eV降下-0.03 eV14を選択し、キャリア転送を加速します。

•アクティブ欠陥不動態化：分子構造エネルギー「積極的」鈍化スノー215ペロブスカイト16界面の固有欠陥は、非放射再結合を効率的に抑制する。

重点研究成果

•効率的な電力変換効率（PCE）：到達25.34%の高さPCE。

•極低開放電圧損失（VOC不足）：最高の実現VOC 1.23 Vを選択して設定できます。1.536 eVエネルギーギャップのペロブスカイト、VOC損失のみ0.306V、理論の限界に達した97.2%。

•非放射再結合の効率的な抑制：

○エレクトロルミネッセンス外量子効率（EL-EQE）大幅に向上10.29%。

○光ルミネセンス量子効率（PLQY）昇格先27.06%。

○メタフェルミ準位分裂（QFLS）損失62 mV大幅に減少34 mV、超低を確認VOC損失は主に非放射再結合の除去に由来する。トラップ密度は著しく低下した。

•優れた長期運用安定性：厳しい試験条件の下で（ISOS-L-3：MPP、65 °C、50%RH）を超えた1200時間T92寿命。

図4e

研究チーム

これは国際的なトップレベルの定期刊行物に発表された 高度な材料の研究によると、その通信著者は香港理工大学の李剛（ガン リー)教授とクアン リュー教授と、および香港大学のジンヤオ タン教授。

この重要な研究協力は香港理工大学、香港大学の学術力を結集し、香港中文大学深セン分校や香港中文大学など多くの学術機関の研究チームを結合し、共同でペロブスカイト太陽電池の性能向上の重要な問題に対して深く、効果的な探索を行った。

研究背景

•かいほうでんあつ（VOC）損失が大きすぎる：効率が向上しても、PSCのVOC依然として理論の限界に遅れている。

•重要界面の非放射再結合損失：これは結果ですVOC損失の主な原因の一つ。特にSnO₂/ペロブスカイト埋蔵界面、その欠陥は深刻な非放射再結合を引き起こす。

•埋蔵界面の固有欠陥：SnO₂でんしでんそう（ETL）表面の未配位Sn2+（Sn-OH）浅い層のトラップが形成され、ペロブスカイトとETL間の電子輸送効率。ペロブスカイト自体の欠陥（未配位のものなど）Pb2+)も問題です。深層欠陥はさらに非放射再結合の主要な中心である。

•界面のエネルギー準位不一致：SnO₂ペロブスカイトとの間のエネルギー準位配列には電子抽出が存在する可能性がある/輸送エネルギー障壁は、キャリアの効率的な輸送に不利である。

•従来のインタフェース不動態化の限界：埋め込み界面修飾（例えば自己集合単分子層を用いたSAMまたは分子ブリッジ）は、欠陥の解決、インターフェース接触の強化、エネルギーレベルの整列のための共同戦略とみなされ、いくつかの成果が得られていますが、さらに向上するための大きなスペースがありますVOC。

•界面分子配列とテンプレート作用の無視：界面挿入層に関する以前の研究では、これらの分子層の配列と配向にはあまり注目されておらず、テンプレートとしてペロブスカイト薄膜の形成と結晶化を制御する役割はしばしば無視されている。

•インタフェース欠陥が安定性に影響する：界面の複合中心と欠陥も熱と湿気圧力下でのペロブスカイトの分解を加速させる。

図3d

ソリューション

研究チームは革新的な「埋蔵界面制御（BIM）」戦略、その核心は：

1.ペロブスカイト結晶化駆動テンプレートの構築:SnO₂でんしでんそう（ETL）カルシウムチタン鉱層との間の埋蔵インターフェースは、特定の自己集合両親媒性ホスホン酸エステル誘導体（MeOBTBT-POET） 材料、透過固定-固相変化過程は、高度に配向した超分子テンプレートを形成する。

2.超分子材料の多機能作用：これMeOBTBT-POET分子はインタフェースで多重の重要な役割を果たす：

○ゆうどうゆうせんけっしょうせいちょう：テンプレートはペロブスカイトを優先的に沿って駆動することができる(100)けっしょうほうこう 外面方向に向かって成長する。なぜならMeOBTBT-POETと(100)結晶面は相互作用を持ち、熱力学的駆動力を提供する。

○最適なエネルギーレベル位置合わせとキャリア抽出の促進：分子の双極子モーメント（1.89 D）インタフェースのエネルギーレベルを調整し、電子抽出を低減/ペロブスカイトからペロブスカイトへの電子エネルギーの移動をより効率的にするための輸送のエネルギー障壁SnO₂レイヤー。

○アクティブ欠陥不動態化：従来の受動式不動態化方法とは異なり、MeOBTBT-POET分子構造上の機能化部分（特にホスホン酸エステル基）エネルギー積極的に鈍化するSnO₂表面の未配位Sn2 +欠陥、およびカルシウムチタン鉱層の欠陥（未配位のPb2+）化学相互作用が発生し、効果的に界面の非放射再結合損失を抑制する。

図2c

実験過程と手順

1.特殊分子の調製：研究チームはまず特定の化学合成経路を通じて、特殊な両親媒性ホスホン酸エステル誘導体分子を製造し、MeOBTBT-POET。この分子には硬いものが含まれていますBTBT のコアとホスホン酸エステル基を有する可撓性アルキル尾部。

2.下層SnO₂電子輸送層の作製：研究用FTO/ガラスを基板とする。クリーニング処理後、スピンコーティングにより堆積するSnO₂溶液。その後SnO₂フィルムは環境大気下で行われる200度のアニール処理を行った。

3.MeOBTBT-POETテンプレートレイヤの構築：焼鈍後のSnO₂ 基板をグローブボックス内に移す。調製済みのMeOBTBT-POET分子がクロロベンゼンに溶解する（クロロベンゼン、CB）溶媒中。この分子は後続のペロブスカイトのスピンコーティングに使用されるDMF／DMSO混合溶媒中の溶解度は極めて低く、次の工程で形成されたMeOBTBT-POETレイヤー。その後、MeOBTBT-POET溶液のスピン塗布SnO₂ 電子輸送層表面。研究によると、この分子はインタフェース上で透過することが分かったじこくみたてを経由して固-固相変化過程を選択し、高度に秩序化された超分子テンプレート。室温においても、その弱い分子間相互作用は秩序ある構造の形成に有利である。透過加熱（例えば60℃）はこの相転移過程を加速することができる。

4.カルシウムチタン鉱層の堆積とテンプレート誘起結晶化：特定の組成のペロブスカイト前駆体溶液を準備し、FAI、MABr の、MACl の、PbBr2 の、PbI2和CsI、溶解DMF／DMSO混合溶媒中。ペロブスカイト前駆体溶液を修飾済みにスピンコートするMeOBTBT-POETのSnO₂基板上。スピンコーティング後、制御湿度環境で（20%-30% RH）アニール処理を行う（100℃）。この過程で、すでに形成されているMeOBTBT-POET超分子テンプレートは「ペロブスカイト結晶駆動テンプレート」、ペロブスカイト結晶を特定の方向に誘導する（高さが好ましい外面方向への(100)結晶方向）成長と結晶。研究によると、MeOBTBT-POET分子とSnO₂表面に存在するかがくそうごさよう、未配位とのSn2 +配位を行う。

5.後続機能層の堆積：カルシウムチタン鉱層を形成した後、サンプルを手套箱に戻した。じゅんじスピンコーティング正孔輸送層（BABr）和スピロ-OMeTAD）を選択し、アニールを行った。

6.金属電極の作製：最後に、熱蒸発を通して、層を堆積する80nm厚い金電極で、電池デバイスの製造が完了した。

図1b

研究成果の特徴

エレクトロルミネセンス外部量子効率（EQEEL）準Fermiエネルギー準位との分割（QFLS）分析

研究チームによる使用エンリテック LQ-100光ルミネセンス量子収率測定システム、エレクトロルミネッセンス外部量子効率を記録する（EL EQE）スペクトル。に基づいて株式会社の注入電流密度におけるEQEEL値計算非放射再結合によるVOC損をする。光ルミネセンス量子収率による（PLQY）及び放射限界開放電圧（VOC、ラッド）ペロブスカイト半構造試料のQFLS。VOC、ラドデバイスのEQEスペクトルは詳細な平衡モデルにより計算される。

図S27：EQEEL曲線。

図4D：PLQY の値

図4E：QFLS値と ΔVOC、ラド-QFLS）値を入力します。

最適化されたBIM部品表示EQEEL大幅な向上(10.29%)、対照デバイスよりもはるかに高い(2.73%)。これは非放射再結合損失を示している(ΔVOC、nr = 58.8 mV）著しく低下し、J-V の測定されたVOC差異が一致する。修飾後のペロブスカイト半構造はより高いPLQY（27.06% vs 9.09%）、これは高光電圧を実現するために重要である。QFLS解析表示BIMデバイスのエネルギー損失Δ（VOC、rad-QFLS）大幅に減少(から62mVへ34 mV）。これらの結果は、超低VOC損失は主にSnO₂ペロブスカイト埋蔵界面における非放射再結合の効果的な除去。

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でんりゅうみつど-電圧（J-V）特性曲線と外部量子効率（EQE）スペクトル

研究チームによる使用エンリテックのSS-X AM1.5G型標準的な太陽光シミュレータ行うJ-V の曲線測定、およびQE-R量子効率測定システム、外部量子効率を測定する（EQE）スペクトル。ソーステーブルを用いたデバイスのJ-V の曲線。ヒステリシス効果を評価するために順方向走査と逆方向走査を行った。使用するEQEシステム計測デバイスは、300〜850 nm波長範囲のスペクトル応答。

図4A：J-V の曲線(でんりゅうみつどVS電圧)。

図4B：EQEスペクトル（EQE）パーセントVS波長)。

表 1：光起電力パラメータをまとめた表。

経MeOBTBT-POETに化粧BIMデバイスは対照デバイスより顕著に優れた光起電力性能を示し、より高いPCE (25.34% vs 22.81%)、VOC（1.23V vs 1.197V）和FF（82.28% vs 75.99%）。株式会社とEQE積分結果は一致した。EQEスペクトルは異なる波長におけるデバイスの応答効率を反映している。最適化されたBIMデバイスは最小のJ-V のヒステリシス効果。これらのグラフとデータは、埋蔵インタフェース修飾によるデバイス変換効率の大幅な向上と低減を証明するものであるVOC損失の直接証拠。

X放射線回折分光計（XRD）/すれすれ入射広角X放射線散乱（GIWAXS）

モニタリングMeOBTBT-POET熱アニーリング中の結晶構造の発展、分析MeOBTBT-POETにSnO₂上の結晶特性と配向、およびペロブスカイト薄膜の結晶配向を分析する。複数の構造特性化技術を通じて、研究チーム確認しましたMeOBTBT-POETにSnO₂/ペロブスカイト埋蔵界面では特定の結晶構造を形成し、ペロブスカイトの優先配向成長を効果的に誘導することができる。（図1B、図2a、図S17）

X放射線光電子分光法（XPS）

研究MeOBTBT-POETとSnO₂との間、MeOBTBT-POETペロブスカイトとの化学的環境と相互作用により、インタフェースの不動態化効果を検証する。XPS結果は総合的に証明されたMeOBTBT-POETだけでなくSnO₂ 化学作用が発生し、カルシウムチタン鉱層とも強く配位し、さらに効果が鈍化したSnO₂ における酸素空孔及びペロブスカイトにおける未配位Pb2+欠陥。(図3a、b、c）

紫外光電子分光法（UPS）

電子選択インタフェースの評価（SnO）₂/ペロブスカイト)のバンド構造、測定SnO₂、修飾後SnO₂ペロブスカイト薄膜との仕事関数（作業機能）およびエネルギーレベルの位置(例えば価格帯トップEVBM,テープベースECBM）。MeOBTBT-POETその内側を通る負の双極子モーメントを修飾し、SnO₂ の仕事関数を上にシフトし、界面での電子抽出と輸送を大幅に促進した。(図3d、e）

時間分解光ルミネセンス（TRPL）

界面電荷移動動力学を研究し、キャリア寿命を測定することにより電荷抽出効率を評価した。に生育MeOBTBT-POETに化粧SnO₂ 上のペロブスカイト薄膜はより短い平均キャリア寿命を示した（183.9 ns vs 381.7 ns）、これはカルシウムチタン鉱層からSnO₂ETLの抽出と転送がより効率的です。(図3f）

ねつアドミタンススペクトル（TAS）及びパルス電圧空間制限電流（PV-SCLC）

トラップ状態密度の定量的推定（Ntrap）及びそのエネルギー準位上の分布、界面修飾による欠陥状態の抑制効果を評価する。複数の特徴付け結果、一致確認 MeOBTBT-POET修飾は効果的にインタフェースにおけるトラップ状態密度を低下させる(特に深準位欠陥)、さらに非放射再結合を強く抑制した。(図4f ）

長期運用安定性試験

インタフェース修飾後のペロブスカイト太陽電池のシミュレーション厳しい環境下での長期安定性を直接検証する。試験条件でT92寿命が超過する 1200 時間です。(図4g）

結論

研究チームは超分子組立テンプレートに基づく埋蔵式界面制御戦略の開発と応用に成功し、SnO₂ でんしでんそう（ETL）カルシウムチタン鉱層との間に両親媒性ホスホン酸エステル誘導体を導入するMeOBTBT-POET、ペロブスカイト太陽電池の性能と長期安定性を著しく向上させた。

1.MeOBTBT-POETの構造進化とテンプレート作用：研究発見MeOBTBT-POET分子はSnO₂ひょうめんとうかり-固相変化による超分子組立、形成規則的で緻密な近単結晶構造。この自己集合プロセスは結晶テンプレートとして、ペロブスカイト結晶を面外方向に高い優先的に誘導することに成功(100)配向成長、これはデバイス中のキャリアの垂直転送に有利である。DFT の計算確認MeOBTBT-POETペロブスカイト(100)結晶面の相互作用は、(100)優先配向成長は追加の熱力学駆動力を提供する。

2.界面欠陥の有効な不動態化：XPS結果が強く証明されたMeOBTBT-POET成功だけでなくSnO₂表面はまだとSnO₂カルシウムチタン鉱層とも強い配位作用が発生しています。この相互作用は有効に不動態化されるSnO₂における酸素空格子点(抑制と表現するSn-OH のピーク)ペロブスカイト中の未配位Pb2+などの固有欠陥があり、界面欠陥密度が顕著に減少した。

3.バンド配列最適化とキャリア抽出促進：MeOBTBT-POET分子は明らかな双極子モーメントを持っている（1.89 D）、その内側への負の双極子モーメントによりSnO₂仕事関数の上方シフト(から4.16 eV移動先3.82 eV）。このバンドオフセットはペロブスカイトとSnO₂ETL間の電子抽出/でんたつ障壁(から0.24 eV降下-0.03 eV），界面での電子移動と抽出を大幅に促進する。

4.非放射再結合抑制とキャリア動力学の改善：透過性プリアンブルシーケンス修飾後のペロブスカイト薄膜のキャリア寿命が短くなることが観察された（183.9 ns vs 381.7 ns）、電子抽出効率の向上を表明した。TPVより長い電圧減衰時間を示し、TPC界面でのキャリアの効率的な移動とより少ないトラップ支援再結合を指す、より高い非平衡キャリア収集量とより短い電流減衰時間を示した。EQEEL顕著に増強され、PLQY の大幅に向上し、QFLS分析によると、エネルギー損失が大幅に減少した。総合欠陥特性評価（SCLC）、TAS、モット - ショットキー）トラップ状態密度、特に深準位欠陥が顕著に減少し、内部建設電位が増加することを確認した。これら結果の一貫性証明MeOBTBT-POET修飾は界面での非放射再結合を強く抑制する。

5.デバイスの性能と安定性の大幅な向上：上記の界面制御効果のおかげで、MeOBTBT-POET埋め込みインタフェースを修飾するPSCガンダム実現25.34%の光電変換効率（PCE），最高開放電圧（VOC）達する1.23V，VOC損失は0.306V、理論の限界に近い97.2%また、この戦略はデバイスの長期安定性を著しく向上させ、厳しい熱湿結合応力の下で（ISOS-L-3：MPP、65）°C、50%RH），T92寿命が超過する1200 時間です。

参考文献：Advanced Materials _ DOI：10.1002/adma.202418011より

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