研究の困難と挑戦

既存の高効率電荷選択性接触層（例えば自己集合単分子層、SAM）狭エネルギーギャップペロブスカイト太陽電池に対して最適化されることが多く、そのエネルギー次数特性は広エネルギーギャップではない（WBG の）ペロブスカイト量身設計。このようなインタフェースのエネルギー階調不整合は深刻な非放射再結合をもたらし、直接に開放電圧損失と充填因子の低下をもたらし、デバイスの全体的な電力変換効率を深刻に制限した。

本研究の核心的課題は、どのようにシステム的かつ正確に制御するSAMエネルギーレベルを選択し、WBG のカルシウムチタン鉱層が最適な一致を選択して、インタフェース複合損失の低減、電荷抽出効率の向上、改善WBG のペロブスカイトサブ電池及び積層電池の全体的な性能。

研究チームと発表

この画期的な研究は浙江大学の薛晶晶教授とデレン ヤング教授共同で指導し、国際的に有名な学術誌に研究成果を発表する 自然 コミュニケーション。チームは分子構造内のゆうどうこうか、正確かつ系統的に制御SAMのエネルギーレベルを測定し、それに基づいて高効率エネルギーを製造したWBG のペロブスカイト単接合電池ときろくこうりつのペロブスカイト/トップコンせきそうでんち。

研究成果と見所

l コアイノベーション：分子構造における「誘導効果の利用に成功（誘導効果）」により、自己組織化単分子層を正確かつ系統的に制御する（SAM）のエネルギーレベル。

l 実現SAMエネルギー次数を最適化して広いエネルギーギャップに一致させる（WBG）ペロブスカイト電池の需要、エネルギー次数不整合による効率ボトルネックを解決した。

l 強い電子供与基を含むPyAA-MeO サム最も有利な界面エネルギー階層配置を構築、正孔抽出を顕著に促進し、非放射再結合損失を大幅に低減した。

l 効率的なWBG のペロブスカイト単接合電池、電力変換効率（PCE）に到達22.8%、高開放電圧を有する（VOC）およびフィルファクタ（FF）。

l デバイスは優れた安定性を示している光照射、熱応力、最大電力点追跡などの多種の加速老化試験の下で優れている。

l 最適化後のSAM、高効率エネルギーのペロブスカイトの構築に成功した/トップコン積層電池、実現した31.1%の電力変換効率(サードパーティ認定30.9%)。

l とうかぶんせきPLQY のその結果、抽出して定量化したじゅんフェルミエネルギーかいぶんれつ（QFLS）の利得，PyAA-MeO組み込みのペロブスカイト薄膜が最大QFLS利得（48.1 mV）、光起電力デバイスで観測された最高VOC表現が一致し、非放射再結合損失の低減を反映した。

l この積層電池効率は現在報告されているペロブスカイトである/トップコン積層電池における高い効率の1つ。

図 4e

実験過程と手順

図1ab

分子設計と合成 研究チームはピレンコア構造に基づく一連のアクリルアンカー基を有するSAM分子、含むPyAA、PyAA-Br、PyAA-Me和PyAA-MeO、各分子は異なる電子特性機能基を有する。

SAMフィルム調製 合成されたSAM分子は特定の溶媒に溶解し、スピンコーティング法を通じてITO基板上に堆積して単分子薄膜を形成し、その後アニール処理を行って薄膜構造を安定化させた。

ペロブスカイト薄膜の製造方法 にSAMに化粧ITO基板上に、広エネルギーギャップペロブスカイト前駆体溶液を調製し、スピンコーティング及び反溶媒処理技術を用いてペロブスカイト薄膜を堆積し、アニール処理を行った。

単接合太陽電池の製造方法 以SAM修飾ITO基材として、順次カルシウムチタン鉱層を堆積し、熱蒸発法により電子輸送層（LiF、C60、BCP）及び銀電極を用いて、反転構造の単接合ペロブスカイト太陽電池を完成した。

積層太陽電池の製造方法 最適化された広エネルギーギャップペロブスカイトサブ電池（PyAA-MeO）をビジネス化に統合トップコン結晶シリコンサブ電池。にトップコンシリコン基板上に逐次堆積ニオックスレイヤー、SAM、カルシウムチタン鉱層、表面不動態化層、および中間層（LiF、C60、SnO2）と上部電極構造（情報、アグ、LiF）、ペロブスカイトに組み立てる/トップコン積層太陽電池。

理論計算支援 密度汎関数理論と第一原理計算を用いたシミュレーションSAM分子はITO表面の構造と相互作用、実験観察現象の理解を支援し、実験設計を指導する。

キャラクタリゼーション方（かた）法と結果

1.J-Vとくせいそくてい

研究チームによるシミュレーションの使用AM 1.5グラムスペクトル（100 mW cm）-²)照射下のソース測定ユニット（キースリー2400）行うJ-V の特性測定。正確で信頼性の高いJ-V の測定には高品質の太陽光シミュレータが必要であり、光科学技術エンリテック SS-X太陽光シミュレータ、そのAM1.5G型フィルターは先進的なプラズマ堆積技術を採用し、高いスペクトル精度と優れた耐久性を持っている。

結果表示、異なるベースSAMの広いエネルギーギャップPSC、その平均効率はPyAA-Brの12.9%ステップアップPyAA-MeOの22.1%を選択します。PyAA-MeO基板のデバイスは最適なパフォーマンスを発揮し、実現した22.8%のPCEを備えている1.24 VのVOC、84.3%のFF和21.8 mA センチメートル^-2 の株式会社。

図4A異なるベースの表示SAMのPSCデバイスのJ-V の曲線、表1これらのデバイスの性能パラメータをまとめた。

図4E積層電池のJ-V の曲線。

2.外部量子効率（EQE）計測

異なる波長の光照射下での電池のキャリア生成効率を測定し、検証するJ-V の測定中の株式会社値を入力します。研究チームによる使用エンリテック QE-R外部量子効率統合システム、短絡条件下で行われる計測には、位相ロックアンプと電流プリアンプを用いた。EQE測定エネルギーは、異なるスペクトル範囲における電池の応答を理解することができる。光科学技術エンリテック QE-R量子効率測定システム、高い再現性(> 99.5%)を搭載し、2つの独立した2相位相同期増幅器を搭載し、光電力とデバイス信号を同時に監視することができる。

図4B 比較ベースPyAA和PyAA-MeOのデバイスのEQE曲線。PyAA-MeOベースデバイスのEQE曲線はより高い応答を示し、積分計算で得られた株式会社値は21.0 mA センチメートル^-2、より高いPyAAベースデバイスの20.2 mA センチメートル^-2。EQE積分電流の上昇は改善されたエネルギー整列によるものであるより効果的な正孔抽出。

図4F ペロブスカイトを示しています/シリコン積層素子におけるWBG のサブバッテリとシリコンサブバッテリのEQE曲線、積分株式会社値はそれぞれ19.8 mA センチメートル^-2 和19.7 mA センチメートル^-2。

3.じゅんフェルミエネルギーかいぶんれつ（QFLS）と相関光学特性評価

QFLS（Quasi-Fermi Level Splitting）材料のVOC潜在力があり、非放射再結合損失の源を理解するのに役立つ。研究チームは異なる基準に基づいて測定したSAMのペロブスカイト薄膜のPLQY の。研究チームが使用するEnlitech LQE-50-EL（LQ-50）エレクトロルミネセンス外部量子効率システム、収集EQEEL。

透過性PLQY の測定、研究によりその値はSAM官能基の電子供与能力が増強されて増加し、PyAA-Brの0.70%次へPyAA-MeOの5.71%。これに基づいて推定された準Fermiエネルギー階層分割（QFLS）エンハンスメント値も同様の傾向を示し、PyAA-Brの17.2 メイボルト増加PyAA-MeOの48.1 mV， PyAA-MeO最大のパフォーマンスを発揮QFLS強化、これはそのデバイスの最高開放電圧（VOC）高さが合う。また、全デバイスのEQEEL計測はさらに実証し、EQEEL値は官能基の電子供与能力の増強に伴って上昇し、PyAA-MeOデバイスの電圧損失(Δ（V）最小(のみ0.18 mV）。これらの優れた光電性能ポインタは、有利なインタフェースエネルギー整列に由来し、効率的な正孔抽出を促進そして界面電荷再結合を著しく低減。

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4.かとこうでんりゅう（TPC）げんすいそくてい

短絡条件下でのキャリア（正孔）の抽出動力学を研究する。電子メトキシ基への誘導効果による界面エネルギーの整列最適化により、正孔の高速抽出を効果的に促進した。(図3d）

その他の特徴

1.Xせんかいせつ（XRD）：ペロブスカイト薄膜の結晶質を評価した。各サンプルのピーク位置と強度はほぼ同じであり、ほとんど観察されていないPbI₂ のピーク33、異なる官能基がペロブスカイトの結晶化にあまり影響しないことを表明した。(図2a）

2.2 Dすれすれ入射広角X放射線散乱（2D GIWAXS）

ペロブスカイト薄膜を異なる基板上に堆積させた結晶方位を調べた。すべての4つの場合、ペロブスカイト薄膜の結晶方位は類似している。これはさらに実証され、変化するSAM官能基はペロブスカイト薄膜の結晶化と配向に顕著な影響を与えなかった。(図S 24）

3.走査電子顕微鏡（SEM）

ペロブスカイト薄膜の表面形態を観察した。SAM上に堆積したカルシウムチタン鉱層薄膜の品質に対する官能基の修正の影響は無視できる。(図2b）

4.紫外線-可視スペクトル（UV-vis分光鏡）

ペロブスカイト薄膜の光学吸収特性と光学バンドギャップを評価した。同様のスペクトル形状と強度は、官能基の変化がペロブスカイト材料の光吸収と光学バンドギャップを変化させていないことを示している。(図2c）

5.紫外光電子分光法（UPS）

取得SAMに化粧ITO表面のエネルギーレベル情報、分析SAMペロブスカイト界面のエネルギーと整列する。観察されたエネルギー整列の改善は主にSAMエネルギー準位の変化。(図3b）

6.ケルビンプローブ力顕微鏡（KPFM）

測定SAM修飾表面の表面電位変化。表面ポテンシャルは官能基の電子供与能力の増強とともに低下することを示し、これはPyAA-BrへPyAA-MeOのp型行為がますます明らかになってきた。(図S 30）

7.時間分解光ルミネセンス（TRPL）

ペロブスカイト薄膜中のキャリア動力学、特に電荷抽出過程を研究する。PyAA-MeO基板サンプルの微分寿命曲線における最初の間隔が最も短く、この部分は主に電荷移動過程に支配され、実証されたPyAA-MeO優れたインタフェース電荷抽出能力。(図3c）

9.時間分解PLスペクトルとPLマッピング

ペロブスカイト薄膜の光安定性を評価した。ライトライト 24 時間後、すべてのサンプルのPL発射には似たような赤方偏移が現れた。これはSAM中の官能基が広エネルギーギャップペロブスカイト薄膜の相安定性に与える影響は無視できる。(図S 26.27）

10.最大パワーポイント追跡（MPPT）安定性テスト（MPPT安定テスト）

連続光照射下でのデバイスの長期安定性を評価した。図S 39 提供MPPT の曲線を追跡する。研究報告書に封入されていないデバイスは、60℃進行中 400 時間MPPT のテスト後、PyAA-MeOを超えるデバイスを保持99%の初期効率です。に約束 2500 時間の異なる加速老化テストでは、その効率は維持されたままで96%、その強化された耐外部刺激能力を示した。

11.かそくろうかしけん（加速老化試験）

加速条件下でデバイスの長期寿命を評価した。デバイスは約 2500 時間後でも超過を保持96%の初期効率です。

研究の概要

せいみつせいぎょSAMエネルギーレベルの戦略 研究は機能基誘導効果を利用して正確かつ系統的に自己集合単分子層のエネルギー準位を制御する戦略を開発し、特定のエネルギーギャップペロブスカイトと整合するためにインターフェースをカスタマイズするために重要な方法を提供した。

インタフェースエネルギーレベルと電荷抽出の最適化 強い電子供給能力を導入したメトキシ基（PyAA-MeO)、最適化に成功しましたSAM広いエネルギーギャップのペロブスカイトとの界面エネルギーを段階的にアラインメントし、ホール抽出に有利なエネルギーバンド曲げを創造し、実験により実証したPyAA-MeO優れた界面電荷抽出能力を持つ。

シングルノットWBG のペロブスカイト電池の高効率エネルギー エネルギーレベル最適化を使用したPyAA-MeOホール選択層として、顕著に向上したWBG のペロブスカイト太陽電池の性能、デバイスの達成22.8%の光電変換効率は、主に改善されたインターフェースホール抽出と低減された非放射再結合損失のおかげである。

非放射再結合と電圧損失を効果的に低減する 最適化されたインタフェースエネルギー階層整列と高効率ホール抽出はデバイスの非放射再結合を効果的に低減する。PLQY の、QFLS、EQE_ELテストはすべて表示されます。PyAA-MeOデバイスは非放射再結合損失と最小の開放電圧損失を有する。

高効率積層太陽電池を実現 高性能WBG のペロブスカイト電池PyAA-MeO）をビジネスに統合トップコン結晶シリコンサブ電池、高効率ペロブスカイトの構築に成功/トップコン積層太陽電池。1 センチメートル²活性面積積層素子が31.1%効率性（サードパーティ認定30.91%）、トップコン積層電池が報告する高効率の1つ。

デバイスの安定性を示すPyAA-MeOデバイスは優れた動作と熱安定性を示している。カプセル化されていないデバイスは、最大電力点追跡、持続光照射、持続加熱を含む加速老化試験において、長時間運転後も保持される96%-99%の初期効率です。

SAMペロブスカイト薄膜への影響は軽微である 異なる機能基のSAMその上に堆積したペロブスカイト薄膜の結晶化、形態、光学特性と光安定性に対する影響は非常に小さく、さらにデバイス性能の向上は主にSAMペロブスカイト薄膜自体の変化ではなく、ペロブスカイト界面との改善。

文献参照nature communications _ DOI：10.1038/s 41467-025-59896-8

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