გმადლობთ, რომ ეწვიეთ Nature.com-ს. თქვენს მიერ გამოყენებული ბრაუზერის ვერსიას CSS-ის შეზღუდული მხარდაჭერა აქვს. საუკეთესო შედეგის მისაღწევად, გირჩევთ გამოიყენოთ თქვენი ბრაუზერის უფრო ახალი ვერსია (ან გამორთოთ თავსებადობის რეჟიმი Internet Explorer-ში). ამასობაში, მუდმივი მხარდაჭერის უზრუნველსაყოფად, საიტს ვაჩვენებთ სტილის ან JavaScript-ის გარეშე.
დეფექტების პასივაცია ფართოდ გამოიყენება ტყვიის ტრიიოდიდის პეროვსკიტის მზის უჯრედების მუშაობის გასაუმჯობესებლად, თუმცა სხვადასხვა დეფექტების გავლენა α-ფაზის სტაბილურობაზე გაურკვეველი რჩება; აქ, სიმკვრივის ფუნქციური თეორიის გამოყენებით, ჩვენ პირველად ვადგენთ ფორმამიდინის ტყვიის ტრიიოდიდის პეროვსკიტის დეგრადაციის გზას α-ფაზიდან δ-ფაზაში და ვსწავლობთ სხვადასხვა დეფექტების გავლენას ფაზური გადასვლის ენერგეტიკულ ბარიერზე. სიმულაციის შედეგები პროგნოზირებს, რომ იოდის ვაკანსიები, სავარაუდოდ, დეგრადაციას იწვევს, რადგან ისინი მნიშვნელოვნად ამცირებენ α-δ ფაზური გადასვლის ენერგეტიკულ ბარიერს და პეროვსკიტის ზედაპირზე აქვთ ყველაზე დაბალი ფორმირების ენერგია. წყალში უხსნადი ტყვიის ოქსალატის მკვრივი ფენის პეროვსკიტის ზედაპირზე შეყვანა მნიშვნელოვნად აფერხებს α-ფაზის დაშლას, ხელს უშლის იოდის მიგრაციას და აორთქლებას. გარდა ამისა, ეს სტრატეგია მნიშვნელოვნად ამცირებს ფაზათაშორის არარადიაციულ რეკომბინაციას და ზრდის მზის უჯრედების ეფექტურობას 25.39%-მდე (დამოწმებული 24.92%). შეუფუთავ მოწყობილობას კვლავ შეუძლია შეინარჩუნოს თავდაპირველი 92%-იანი ეფექტურობა მაქსიმალური სიმძლავრით 550 საათის განმავლობაში მუშაობის შემდეგაც კი, 1.5 გ ჰაერის მასის სიმულირებული დასხივების ქვეშ.
პეროვსკიტის მზის უჯრედების (PSC) სიმძლავრის გარდაქმნის ეფექტურობამ (PCE) რეკორდულ მაქსიმუმს - 26%-ს მიაღწია. 2015 წლიდან თანამედროვე PSC-ები სინათლის შთამნთქმელ ფენად ფორმამიდინის ტრიიოდიდის პეროვსკიტს (FAPbI3) ანიჭებენ უპირატესობას მისი შესანიშნავი თერმული სტაბილურობისა და შოკლი-კეისერის ზღვართან (2,3,4) ახლოს მდებარე უპირატესი ზოლური უფსკრულის გამო. სამწუხაროდ, FAPbI3-ის ფირები თერმოდინამიკურად ოთახის ტემპერატურაზე შავი α ფაზიდან ყვითელ არაპეროვსკიტის δ ფაზაში გადადიან ფაზურ გადასვლას5,6. დელტა ფაზის წარმოქმნის თავიდან ასაცილებლად, შემუშავდა პეროვსკიტის სხვადასხვა რთული შემადგენლობა. ამ პრობლემის გადასაჭრელად ყველაზე გავრცელებული სტრატეგიაა FAPbI3-ის შერევა მეთილამონიუმის (MA+), ცეზიუმის (Cs+) და ბრომიდის (Br-) იონების კომბინაციასთან7,8,9. თუმცა, ჰიბრიდული პეროვსკიტები განიცდიან ზოლური უფსკრულის გაფართოებას და ფოტოინდუცირებულ ფაზურ გამოყოფას, რაც საფრთხეს უქმნის შედეგად მიღებული PSC-ების მუშაობას და ოპერაციულ სტაბილურობას10,11,12.
ბოლოდროინდელმა კვლევებმა აჩვენა, რომ სუფთა მონოკრისტალურ FAPbI3-ს ყოველგვარი დოპინგის გარეშე აქვს შესანიშნავი სტაბილურობა მისი შესანიშნავი კრისტალურობისა და დაბალი დეფექტების გამო13,14. ამიტომ, დეფექტების შემცირება მოცულობითი FAPbI3-ის კრისტალურობის გაზრდით მნიშვნელოვანი სტრატეგიაა ეფექტური და სტაბილური PSC-ების მისაღწევად2,15. თუმცა, FAPbI3 PSC-ის მუშაობის დროს, დეგრადაცია არასასურველ ყვითელ ექვსკუთხა არაპეროვსკიტის δ ფაზად მაინც შეიძლება მოხდეს16. პროცესი ჩვეულებრივ იწყება ზედაპირებსა და მარცვლების საზღვრებზე, რომლებიც უფრო მგრძნობიარეა წყლის, სითბოს და სინათლის მიმართ მრავალი დეფექტური უბნის არსებობის გამო17. ამიტომ, ზედაპირის/მარცვლის პასივაცია აუცილებელია FAPbI318-ის შავი ფაზის სტაბილიზაციისთვის. დეფექტების პასივაციის მრავალმა სტრატეგიამ, მათ შორის დაბალი განზომილების პეროვსკიტების, მჟავა-ტუტოვანი ლუისის მოლეკულების და ამონიუმის ჰალოგენიდის მარილების შეყვანამ, დიდი პროგრესი განიცადა ფორმამიდინის PSC-ებში19,20,21,22. დღეისათვის, თითქმის ყველა კვლევა ფოკუსირებულია სხვადასხვა დეფექტების როლზე ოპტოელექტრონული თვისებების განსაზღვრაში, როგორიცაა მატარებლების რეკომბინაცია, დიფუზიის სიგრძე და ზოლის სტრუქტურა მზის უჯრედებში22,23,24. მაგალითად, სიმკვრივის ფუნქციური თეორია (DFT) გამოიყენება სხვადასხვა დეფექტების ფორმირების ენერგიებისა და ხაფანგში მოხვედრის ენერგიის დონეების თეორიული პროგნოზირებისთვის, რომელიც ფართოდ გამოიყენება პრაქტიკული პასივაციის დიზაინის წარმართვისთვის20,25,26. დეფექტების რაოდენობის შემცირებასთან ერთად, მოწყობილობის სტაბილურობა, როგორც წესი, უმჯობესდება. თუმცა, ფორმამიდინის PSC-ებში, სხვადასხვა დეფექტების ფაზის სტაბილურობასა და ფოტოელექტრულ თვისებებზე გავლენის მექანიზმები სრულიად განსხვავებული უნდა იყოს. ჩვენი ინფორმაციით, ფუნდამენტური გაგება იმისა, თუ როგორ იწვევს დეფექტები კუბურ-ექვსკუთხა (α-δ) ფაზურ გადასვლას და ზედაპირული პასივაციის როლი α-FAPbI3 პეროვსკიტის ფაზის სტაბილურობაზე, ჯერ კიდევ ცუდად არის გაგებული.
აქ ჩვენ ვავლენთ FAPbI3 პეროვსკიტის დაშლის გზას შავი α-ფაზიდან ყვითელ δ-ფაზაში და სხვადასხვა დეფექტების გავლენას α-დან δ-ფაზაში გადასვლის ენერგეტიკულ ბარიერზე DFT-ის მეშვეობით. I ვაკანსიები, რომლებიც ადვილად წარმოიქმნება ფირის დამზადებისა და მოწყობილობის მუშაობის დროს, სავარაუდოდ, α-δ ფაზურ გადასვლას იწყებენ. ამიტომ, ჩვენ FAPbI3-ის თავზე შევიტანეთ წყალში უხსნადი და ქიმიურად სტაბილური ტყვიის ოქსალატის (PbC2O4) მკვრივი ფენა in situ რეაქციის გზით. ტყვიის ოქსალატის ზედაპირი (LOS) აფერხებს I ვაკანსიების წარმოქმნას და ხელს უშლის I იონების მიგრაციას სითბოს, სინათლისა და ელექტრული ველების სტიმულაციისას. შედეგად მიღებული LOS მნიშვნელოვნად ამცირებს ფაზათაშორის არარადიაციულ რეკომბინაციას და აუმჯობესებს FAPbI3 PSC-ის ეფექტურობას 25.39%-მდე (დადასტურებულია 24.92%-მდე). შეუფუთავმა LOS მოწყობილობამ შეინარჩუნა თავდაპირველი ეფექტურობის 92% მაქსიმალური სიმძლავრის წერტილში (MPP) 550 საათზე მეტი ხნის განმავლობაში მუშაობის შემდეგ, 1.5 გ გამოსხივების სიმულირებული ჰაერის მასის (AM) დროს.
თავდაპირველად, ჩვენ ჩავატარეთ ab initio გამოთვლები, რათა გვეპოვა FAPbI3 პეროვსკიტის დაშლის გზა α ფაზიდან δ ფაზაში გადასვლისთვის. დეტალური ფაზური ტრანსფორმაციის პროცესის მეშვეობით დადგინდა, რომ FAPbI3-ის კუბურ α-ფაზაში არსებული სამგანზომილებიანი კუთხის გაზიარების [PbI6] ოქტაედრონიდან FAPbI3-ის ექვსკუთხა δ-ფაზაში ერთგანზომილებიან კიდის გაზიარების [PbI6] ოქტაედრონად ტრანსფორმაცია მიიღწევა. 9. Pb-I ბმას წარმოქმნის პირველ ეტაპზე (Int-1) და მისი ენერგეტიკული ბარიერი აღწევს 0.62 eV/უჯრედს, როგორც ეს ნაჩვენებია ნახაზ 1a-ზე. როდესაც ოქტაედრი გადაადგილდება [0\(\bar{1}\)1] მიმართულებით, ექვსკუთხა მოკლე ჯაჭვი ფართოვდება 1×1-დან 1×3, 1×4-მდე და საბოლოოდ შედის δ ფაზაში. მთელი გზის ორიენტაციის თანაფარდობაა (011)α//(001)δ + [100]α//[100]δ. ენერგიის განაწილების დიაგრამიდან ჩანს, რომ FAPbI3-ის δ ფაზის ბირთვის წარმოქმნის შემდეგ, შემდეგ ეტაპებზე, ენერგეტიკული ბარიერი უფრო დაბალია, ვიდრე α ფაზური გადასვლის, რაც ნიშნავს, რომ ფაზური გადასვლა დაჩქარდება. ცხადია, ფაზური გადასვლის კონტროლის პირველი ნაბიჯი კრიტიკულად მნიშვნელოვანია, თუ გვინდა α-ფაზის დეგრადაციის ჩახშობა.
ა) ფაზური ტრანსფორმაციის პროცესი მარცხნიდან მარჯვნივ - შავი FAPbI3 ფაზა (α-ფაზა), პირველი Pb-I ბმის გახლეჩა (Int-1) და შემდგომი Pb-I ბმის გახლეჩა (Int-2, Int-3 და Int-4) და ყვითელი ფაზა FAPbI3 (დელტა ფაზა). ბ) FAPbI3-ის α-დან δ ფაზურ გადასვლის ენერგეტიკული ბარიერები სხვადასხვა შინაგანი წერტილოვანი დეფექტების საფუძველზე. წერტილოვანი ხაზი აჩვენებს იდეალური კრისტალის ენერგეტიკულ ბარიერს (0.62 eV). გ) ტყვიის პეროვსკიტის ზედაპირზე პირველადი წერტილოვანი დეფექტების წარმოქმნის ენერგია. აბსცისას ღერძი არის α-δ ფაზური გადასვლის ენერგეტიკული ბარიერი, ხოლო ორდინატთა ღერძი არის დეფექტის წარმოქმნის ენერგია. ნაცრისფერი, ყვითელი და მწვანე ფერებით დაჩრდილული ნაწილები შესაბამისად არის I ტიპი (დაბალი EB-მაღალი FE), II ტიპი (მაღალი FE) და III ტიპი (დაბალი EB-დაბალი FE). დ) FAPbI3-ის VI და LOS დეფექტების წარმოქმნის ენერგია კონტროლში. ე) იონების მიგრაციის ბარიერი კონტროლში და FAPbI3-ის LOS. f – I იონების (ნარინჯისფერი სფეროები) და gLOS FAPbI3-ის (ნაცრისფერი, ტყვიისფერი; იისფერი (ნარინჯისფერი), იოდი (მოძრავი იოდი)) მიგრაციის სქემატური წარმოდგენა gf კონტროლში (მარცხნივ: ხედი ზემოდან; მარჯვნივ: განივი კვეთა, ყავისფერი); ნახშირბადი; ღია ლურჯი - აზოტი; წითელი - ჟანგბადი; ღია ვარდისფერი - წყალბადი). წყაროს მონაცემები მოწოდებულია წყაროს მონაცემთა ფაილების სახით.
შემდეგ ჩვენ სისტემატურად შევისწავლეთ სხვადასხვა შინაგანი წერტილოვანი დეფექტების (მათ შორის PbFA, IFA, PbI და IPb ანტისაიტის დაკავებულობა; Pbi და Ii ინტერსტიციული ატომები; და VI, VFA და VPb ვაკანსიები) გავლენა, რომლებიც ძირითად ფაქტორებად ითვლება, რომლებიც იწვევენ ატომურ და ენერგეტიკულ დონეებს, ნაჩვენებია ნახაზ 1ბ-სა და დამატებით ცხრილში 1. საინტერესოა, რომ ყველა დეფექტი არ ამცირებს α-δ ფაზური გადასვლის ენერგეტიკულ ბარიერს (სურათი 1ბ). ჩვენ გვჯერა, რომ დეფექტები, რომლებსაც აქვთ როგორც დაბალი ფორმირების ენერგიები, ასევე დაბალი α-δ ფაზური გადასვლის ენერგეტიკული ბარიერები, ფაზის სტაბილურობისთვის საზიანოდ ითვლება. როგორც ადრე იყო აღნიშნული, ტყვიით მდიდარი ზედაპირები ზოგადად ეფექტურად ითვლება ფორმამიდინ PSC27-ისთვის. ამიტომ, ჩვენ ყურადღებას ვამახვილებთ PbI2-ით დამთავრებულ (100) ზედაპირზე ტყვიით მდიდარ პირობებში. ზედაპირის შინაგანი წერტილოვანი დეფექტების დეფექტის ფორმირების ენერგია ნაჩვენებია ნახაზ 1გ-სა და დამატებით ცხრილში 1. ენერგეტიკული ბარიერის (EB) და ფაზური გადასვლის ფორმირების ენერგიის (FE) საფუძველზე, ეს დეფექტები კლასიფიცირდება სამ ტიპად. ტიპი I (დაბალი EB - მაღალი FE): მიუხედავად იმისა, რომ IPb, VFA და VPb მნიშვნელოვნად ამცირებენ ფაზური გადასვლის ენერგეტიკულ ბარიერს, მათ აქვთ მაღალი ფორმირების ენერგიები. ამიტომ, ჩვენ გვჯერა, რომ ამ ტიპის დეფექტებს შეზღუდული გავლენა აქვთ ფაზურ გადასვლებზე, რადგან ისინი იშვიათად ყალიბდება. ტიპი II (მაღალი EB): გაუმჯობესებული α-δ ფაზური გადასვლის ენერგეტიკული ბარიერის გამო, ანტი-საიტი დეფექტები PbI, IFA და PbFA არ აზიანებს α-FAPbI3 პეროვსკიტის ფაზურ სტაბილურობას. ტიპი III (დაბალი EB - დაბალი FE): VI, Ii და Pbi დეფექტებმა შედარებით დაბალი ფორმირების ენერგიებით შეიძლება გამოიწვიოს შავი ფაზის დეგრადაცია. განსაკუთრებით ყველაზე დაბალი FE და EB VI-ის გათვალისწინებით, ჩვენ გვჯერა, რომ ყველაზე ეფექტური სტრატეგიაა I ვაკანსიების შემცირება.
VI-ის შესამცირებლად, FAPbI3-ის ზედაპირის გასაუმჯობესებლად, ჩვენ შევიმუშავეთ PbC2O4-ის მკვრივი ფენა. ორგანული ჰალოგენიდური მარილის პასივატორებთან შედარებით, როგორიცაა ფენილეთილამონიუმის იოდიდი (PEAI) და n-ოქტილამონიუმის იოდიდი (OAI), PbC2O4, რომელიც არ შეიცავს მოძრავ ჰალოგენურ იონებს, ქიმიურად სტაბილურია, წყალში უხსნადია და სტიმულაციისას ადვილად დეაქტივირდება. პეროვსკიტის ზედაპირული ტენიანობის და ელექტრული ველის კარგი სტაბილიზაცია. PbC2O4-ის წყალში ხსნადობა მხოლოდ 0.00065 გ/ლ-ია, რაც PbSO428-ისაზე დაბალიც კია. უფრო მნიშვნელოვანია, რომ LOS-ის მკვრივი და ერთგვაროვანი ფენების პეროვსკიტის ფირებზე რბილად მომზადება შესაძლებელია in situ რეაქციების გამოყენებით (იხილეთ ქვემოთ). ჩვენ ჩავატარეთ FAPbI3-სა და PbC2O4-ს შორის ფაზათაშორისი ბმის DFT სიმულაციები, როგორც ეს ნაჩვენებია დამატებით ნახაზ 1-ში. დამატებით ცხრილში 2 წარმოდგენილია დეფექტის ფორმირების ენერგია LOS ინექციის შემდეგ. ჩვენ აღმოვაჩინეთ, რომ LOS არა მხოლოდ ზრდის VI დეფექტების ფორმირების ენერგიას 0.69–1.53 eV-ით (სურათი 1d), არამედ ზრდის I-ს აქტივაციის ენერგიას მიგრაციის ზედაპირზე და გამოსასვლელ ზედაპირზე (სურათი 1e). პირველ ეტაპზე, I იონები მიგრირებენ პეროვსკიტის ზედაპირის გასწვრივ, რის შედეგადაც VI იონები ტოვებენ ბადისებრ პოზიციაში 0.61 eV ენერგეტიკული ბარიერით. LOS-ის შეყვანის შემდეგ, სტერეული ინჰიბირების ეფექტის გამო, I იონების მიგრაციის აქტივაციის ენერგია იზრდება 1.28 eV-მდე. I იონების პეროვსკიტის ზედაპირიდან გამოსვლისას, VOC-ში ენერგეტიკული ბარიერი ასევე უფრო მაღალია, ვიდრე საკონტროლო ნიმუშში (სურათი 1e). I იონების მიგრაციის გზების სქემატური დიაგრამები საკონტროლო და LOS FAPbI3-ში ნაჩვენებია შესაბამისად სურათ 1 f და g-ზე. სიმულაციის შედეგები აჩვენებს, რომ LOS-ს შეუძლია შეაფერხოს VI დეფექტების ფორმირება და I-ს აორთქლება, რითაც ხელს უშლის α-დან δ ფაზურ გადასვლის ბირთვის წარმოქმნას.
გამოსცადეს მჟაუნას მჟავასა და FAPbI3 პეროვსკიტს შორის რეაქცია. მჟაუნას მჟავასა და FAPbI3 ხსნარების შერევის შემდეგ, წარმოიქმნა დიდი რაოდენობით თეთრი ნალექი, როგორც ეს ნაჩვენებია დამატებით ნახაზ 2-ში. ფხვნილის პროდუქტი იდენტიფიცირებული იქნა, როგორც სუფთა PbC2O4 მასალა რენტგენის დიფრაქციის (XRD) (დამატებითი სურათი 3) და ფურიეს გარდაქმნის ინფრაწითელი სპექტროსკოპიის (FTIR) (დამატებითი სურათი 4) გამოყენებით. ჩვენ აღმოვაჩინეთ, რომ მჟაუნას მჟავა კარგად ხსნადია იზოპროპილის სპირტში (IPA) ოთახის ტემპერატურაზე, დაახლოებით 18 მგ/მლ ხსნადობით, როგორც ეს ნაჩვენებია დამატებით ნახაზ 5-ში. ეს აადვილებს შემდგომ დამუშავებას, რადგან IPA, როგორც საერთო პასივაციის გამხსნელი, არ აზიანებს პეროვსკიტის ფენას მოკლე დროში29. ამგვარად, პეროვსკიტის აპკის მჟაუნას მჟავას ხსნარში ჩაძირვით ან მჟაუნას მჟავას ხსნარის პეროვსკიტზე დატრიალებით, პეროვსკიტის აპკის ზედაპირზე სწრაფად შეიძლება მივიღოთ თხელი და მკვრივი PbC2O4 შემდეგი ქიმიური განტოლების მიხედვით: H2C2O4 + FAPbI3 = PbC2O4 + FAI +HI. FAI შეიძლება გაიხსნას IPA-ში და ამგვარად მოიხსნას მომზადების დროს. LOS-ის სისქის კონტროლი შესაძლებელია რეაქციის დროისა და პრეკურსორის კონცენტრაციით.
საკონტროლო და LOS პეროვსკიტის ფენების სკანირებადი ელექტრონული მიკროსკოპიის (SEM) გამოსახულებები ნაჩვენებია ნახაზებზე 2a,b. შედეგები აჩვენებს, რომ პეროვსკიტის ზედაპირის მორფოლოგია კარგად არის შენარჩუნებული და მარცვლის ზედაპირზე დიდი რაოდენობით წვრილი ნაწილაკებია დალექილი, რაც უნდა წარმოადგენდეს PbC2O4 ფენას, რომელიც წარმოიქმნება in-situ რეაქციით. LOS პეროვსკიტის ფენას აქვს ოდნავ უფრო გლუვი ზედაპირი (დამატებითი სურათი 6) და წყლის კონტაქტის უფრო დიდი კუთხე საკონტროლო ფენასთან შედარებით (დამატებითი სურათი 7). პროდუქტის ზედაპირული ფენის გასარჩევად გამოყენებული იქნა მაღალი გარჩევადობის განივი გამტარობის ელექტრონული მიკროსკოპია (HR-TEM). საკონტროლო ფენასთან შედარებით (ნახ. 2c), LOS პეროვსკიტის თავზე აშკარად ჩანს დაახლოებით 10 ნმ სისქის ერთგვაროვანი და მკვრივი თხელი ფენა (ნახ. 2d). PbC2O4-სა და FAPbI3-ს შორის ინტერფეისის შესასწავლად მაღალი კუთხის რგოლური მუქი ველის სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპიის (HAADF-STEM) გამოყენებით, FAPbI3-ის კრისტალური რეგიონების და PbC2O4-ის ამორფული რეგიონების არსებობა აშკარად შეიძლება დაფიქსირდეს (დამატებითი სურათი 8). მჟაუნას მჟავათი დამუშავების შემდეგ პეროვსკიტის ზედაპირის შემადგენლობა დახასიათდა რენტგენის ფოტოელექტრონული სპექტროსკოპიის (XPS) გაზომვებით, როგორც ეს ნაჩვენებია ნახაზებზე 2e–g. ნახაზზე 2e, C 1s პიკები დაახლოებით 284.8 eV და 288.5 eV მიეკუთვნება სპეციფიკურ CC და FA სიგნალებს, შესაბამისად. საკონტროლო მემბრანასთან შედარებით, LOS მემბრანამ აჩვენა დამატებითი პიკი 289.2 eV-ზე, რაც მიეწერება C2O42-ს. LOS პეროვსკიტის O 1s სპექტრი ავლენს სამ ქიმიურად განსხვავებულ O 1s პიკს 531.7 eV, 532.5 eV და 533.4 eV-ზე, რაც შეესაბამება ინტაქტური ოქსალატის ჯგუფების 30 დეპროტონირებულ COO, C=O და OH კომპონენტის O ატომებს (სურ. 2e). )). საკონტროლო ნიმუშისთვის დაფიქსირდა მხოლოდ მცირე O 1s პიკი, რაც შეიძლება მივაწეროთ ზედაპირზე ქიმიურად აბსორბირებულ ჟანგბადს. Pb 4f7/2 და Pb 4f5/2-ის საკონტროლო მემბრანული მახასიათებლები განლაგებულია შესაბამისად 138.4 eV და 143.3 eV-ზე. ჩვენ დავაკვირდით, რომ LOS პეროვსკიტი ავლენს Pb პიკის დაახლოებით 0.15 eV-ით გადახრას უფრო მაღალი შეკავშირების ენერგიისკენ, რაც მიუთითებს C2O42- და Pb ატომებს შორის უფრო ძლიერ ურთიერთქმედებაზე (სურ. 2g).
a საკონტროლო და b LOS პეროვსკიტის ფირების SEM გამოსახულებები, ხედი ზემოდან. c საკონტროლო და d LOS პეროვსკიტის ფირების მაღალი გარჩევადობის განივი კვეთის გამტარი ელექტრონული მიკროსკოპია (HR-TEM). e C 1s, f O 1s და g Pb 4f პეროვსკიტის ფირების მაღალი გარჩევადობის XPS. წყაროს მონაცემები მოწოდებულია წყაროს მონაცემთა ფაილების სახით.
DFT შედეგების მიხედვით, თეორიულად პროგნოზირებულია, რომ VI დეფექტები და I მიგრაცია ადვილად იწვევს ფაზურ გადასვლას α-დან δ-ზე. წინა ანგარიშებში ნაჩვენებია, რომ I2 სწრაფად გამოიყოფა PC-ზე დაფუძნებული პეროვსკიტის ფენებიდან ფოტოიმერსიის დროს, ფენების სინათლისა და თერმული სტრესის ზემოქმედების შემდეგ31,32,33. ტყვიის ოქსალატის პეროვსკიტის α-ფაზაზე სტაბილიზაციის ეფექტის დასადასტურებლად, ჩვენ ჩავყავით საკონტროლო და LOS პეროვსკიტის ფენები შესაბამისად ტოლუოლის შემცველ გამჭვირვალე შუშის ბოთლებში და შემდეგ დავასხივეთ ისინი 1 მზის სხივით 24 საათის განმავლობაში. ჩვენ გავზომეთ ულტრაიისფერი და ხილული სინათლის (UV-Vis). ) ტოლუოლის ხსნარის შთანთქმა, როგორც ეს ნაჩვენებია ნახაზ 3ა-ზე. საკონტროლო ნიმუშთან შედარებით, LOS-პეროვსკიტის შემთხვევაში დაფიქსირდა I2 შთანთქმის გაცილებით დაბალი ინტენსივობა, რაც მიუთითებს, რომ კომპაქტურ LOS-ს შეუძლია შეაფერხოს I2-ის გამოთავისუფლება პეროვსკიტის ფენიდან სინათლეში ჩაძირვის დროს. დაძველებული საკონტროლო და LOS პეროვსკიტის ფენების ფოტოები ნაჩვენებია ნახაზების 3ბ და გ ჩანართებში. LOS პეროვსკიტი კვლავ შავია, ხოლო საკონტროლო ფენის უმეტესი ნაწილი გაყვითლდა. ჩაძირული ფენის ულტრაიისფერი-ხილული შთანთქმის სპექტრები ნაჩვენებია ნახ. 3b, c-ზე. ჩვენ დავაკვირდით, რომ საკონტროლო ფენში α-ს შესაბამისი შთანთქმა აშკარად შემცირდა. კრისტალური სტრუქტურის ევოლუციის დოკუმენტირებისთვის ჩატარდა რენტგენის გაზომვები. 24 საათიანი განათების შემდეგ, საკონტროლო პეროვსკიტმა აჩვენა ძლიერი ყვითელი δ-ფაზის სიგნალი (11.8°), ხოლო LOS პეროვსკიტმა კვლავ შეინარჩუნა კარგი შავი ფაზა (ნახ. 3d).
ტოლუოლის ხსნარების ულტრაიისფერი-ხილული შთანთქმის სპექტრები, რომლებშიც საკონტროლო და LOS აპკი 24 საათის განმავლობაში მზის სხივების 1 სხივის ქვეშ იყო ჩაძირული. ჩანართზე ნაჩვენებია ფლაკონი, რომელშიც თითოეული აპკი ტოლუოლის თანაბარ მოცულობაში იყო ჩაძირული. ბ საკონტროლო აპკის და გ LOS აპკის ულტრაიისფერი-ხილული შთანთქმის სპექტრები 24 საათის განმავლობაში მზის სხივების 1 სხივის ქვეშ ჩაძირვამდე და მის შემდეგ. ჩანართზე ნაჩვენებია სატესტო აპკის ფოტოსურათი. დ საკონტროლო და LOS აპკების რენტგენის დიფრაქციული ნიმუშები 24 საათის განმავლობაში ექსპოზიციამდე და მის შემდეგ. საკონტროლო აპკის e და აპკის f LOS SEM გამოსახულებები 24 საათის განმავლობაში ექსპოზიციის შემდეგ. წყაროს მონაცემები მოწოდებულია წყაროს მონაცემთა ფაილების სახით.
ჩვენ ჩავატარეთ სკანირებადი ელექტრონული მიკროსკოპიის (SEM) გაზომვები, რათა დაგვეკვირვებინა პეროვსკიტის აპკის მიკროსტრუქტურული ცვლილებები 24 საათის განათებით, როგორც ეს ნაჩვენებია ნახაზებზე 3e,f. საკონტროლო აპკში დიდი მარცვლები განადგურდა და გადაიქცა პატარა ნემსებად, რაც შეესაბამება δ-ფაზის პროდუქტის FAPbI3 მორფოლოგიას (ნახ. 3e). LOS აპკებისთვის პეროვსკიტის მარცვლები კარგ მდგომარეობაში რჩება (ნახ. 3f). შედეგებმა დაადასტურა, რომ I-ს დაკარგვა მნიშვნელოვნად იწვევს შავი ფაზიდან ყვითელ ფაზაში გადასვლას, ხოლო PbC2O4 ასტაბილურებს შავ ფაზას, ხელს უშლის I-ს დაკარგვას. რადგან ზედაპირზე ვაკანსიების სიმკვრივე გაცილებით მაღალია, ვიდრე მარცვლის მასაში,34 ეს ფაზა უფრო მეტად სავარაუდოა, რომ მოხდეს მარცვლის ზედაპირზე. ერთდროულად გამოთავისუფლდება იოდი და წარმოიქმნება VI. როგორც DFT-ით ​​იწინასწარმეტყველა, LOS-ს შეუძლია შეაფერხოს VI დეფექტების წარმოქმნა და ხელი შეუშალოს I იონების მიგრაციას პეროვსკიტის ზედაპირზე.
გარდა ამისა, შესწავლილი იქნა PbC2O4 ფენის გავლენა ატმოსფერულ ჰაერში პეროვსკიტის ფენების ტენიანობისადმი მდგრადობაზე (ფარდობითი ტენიანობა 30-60%). როგორც ნაჩვენებია დამატებით ნახაზ 9-ში, LOS პეროვსკიტი 12 დღის შემდეგაც შავი იყო, ხოლო საკონტროლო ფენა გაყვითლდა. XRD გაზომვებში, საკონტროლო ფენა 11.8°-ზე ძლიერ პიკს აჩვენებს, რაც შეესაბამება FAPbI3-ის δ ფაზას, ხოლო LOS პეროვსკიტი კარგად ინარჩუნებს შავ α ფაზას (დამატებითი სურათი 10).
პეროვსკიტის ზედაპირზე ტყვიის ოქსალატის პასივაციის ეფექტის შესასწავლად გამოყენებული იქნა სტაციონარული ფოტოლუმინესცენცია (PL) და დროში გადაჭრილი ფოტოლუმინესცენცია (TRPL). ნახაზი 4a გვიჩვენებს, რომ LOS ფენას გაზრდილი PL ინტენსივობა აქვს. PL რუკების გამოსახულებაში, LOS ფენის ინტენსივობა მთელ 10 × 10 μm2 ფართობზე უფრო მაღალია, ვიდრე საკონტროლო ფენის (დამატებითი სურათი 11), რაც მიუთითებს, რომ PbC2O4 ერთგვაროვნად პასივირებას უკეთებს პეროვსკიტის ფენას. მატარებლის სიცოცხლის ხანგრძლივობა განისაზღვრება TRPL დაშლის მიახლოებით ერთი ექსპონენციალური ფუნქციით (ნახ. 4b). LOS ფენის მატარებლის სიცოცხლის ხანგრძლივობაა 5.2 μs, რაც გაცილებით მეტია, ვიდრე საკონტროლო ფენა 0.9 μs მატარებლის სიცოცხლის ხანგრძლივობით, რაც მიუთითებს ზედაპირული არარადიაციული რეკომბინაციის შემცირებაზე.
პეროვსკიტის ფირების დროებითი PL-ის სტაციონარული მდგომარეობის PL და b-სპექტრები მინის სუბსტრატებზე. გ მოწყობილობის SP მრუდი (FTO/TiO2/SnO2/პეროვსკიტი/სპირო-OMeTAD/Au). დ EQE სპექტრი და Jsc EQE სპექტრი ინტეგრირებულია ყველაზე ეფექტური მოწყობილობიდან. დ პეროვსკიტის მოწყობილობის სინათლის ინტენსივობის დამოკიდებულება Voc დიაგრამაზე. ვ ტიპიური MKRC ანალიზი ITO/PEDOT:PSS/პეროვსკიტი/PCBM/Au სუფთა ხვრელის მოწყობილობის გამოყენებით. VTFL არის ხაფანგის მაქსიმალური შევსების ძაბვა. ამ მონაცემებიდან გამოვთვალეთ ხაფანგის სიმკვრივე (Nt). წყაროს მონაცემები მოწოდებულია წყაროს მონაცემთა ფაილების სახით.
ტყვიის ოქსალატის ფენის მოწყობილობის მუშაობაზე გავლენის შესასწავლად გამოყენებული იქნა ტრადიციული FTO/TiO2/SnO2/პეროვსკიტი/სპირო-OMeTAD/Au კონტაქტური სტრუქტურა. მოწყობილობის უკეთესი მუშაობის მისაღწევად, პეროვსკიტის წინამორბედის დანამატად ვიყენებთ ფორმამიდინის ქლორიდს (FACl) მეთილამინის ჰიდროქლორიდის (MACl) ნაცვლად, რადგან FACl-ს შეუძლია უზრუნველყოს უკეთესი კრისტალის ხარისხი და თავიდან აიცილოს FAPbI335-ის ზოლური უფსკრული (დეტალური შედარებისთვის იხილეთ დამატებითი სურათები 1 და 2). 12-14). IPA შეირჩა ანტიგამხსნელად, რადგან ის უზრუნველყოფს უკეთეს კრისტალის ხარისხს და პეროვსკიტის ფენებში სასურველ ორიენტაციას დიეთილის ეთერთან (DE) ან ქლორბენზოლთან (CB)36 შედარებით (დამატებითი სურათები 15 და 16). PbC2O4-ის სისქე ფრთხილად იყო ოპტიმიზირებული დეფექტის პასივაციისა და მუხტის ტრანსპორტირების კარგად დაბალანსების მიზნით, ოქსილის მჟავას კონცენტრაციის რეგულირებით (დამატებითი სურათ 17). ოპტიმიზებული მართვისა და LOS მოწყობილობების განივი კვეთის SEM გამოსახულებები ნაჩვენებია დამატებით ნახაზ 18-ში. მართვისა და LOS მოწყობილობებისთვის დენის სიმკვრივის (CD) ტიპური მრუდები ნაჩვენებია ნახაზ 4c-ში, ხოლო ამოღებული პარამეტრები მოცემულია დამატებით ცხრილ 3-ში. მაქსიმალური სიმძლავრის გარდაქმნის ეფექტურობა (PCE) მართვის უჯრედები 23.43% (22.94%), Jsc 25.75 mA სმ-2 (25.74 mA სმ-2), Voc 1.16 V (1.16 V) და უკუ (წინა) სკანირება. შევსების კოეფიციენტი (FF) არის 78.40% (76.69%). მაქსიმალური PCE LOS PSC არის 25.39% (24.79%), Jsc არის 25.77 mA სმ-2, Voc არის 1.18 V, FF არის 83.50% (81.52%) უკუდან (წინა სკანირება). LOS მოწყობილობამ მიაღწია 24.92%-იან სერტიფიცირებულ ფოტოელექტრულ მუშაობას სანდო მესამე მხარის ფოტოელექტრულ ლაბორატორიაში (დამატებითი სურათი 19). გარე კვანტური ეფექტურობა (EQE) შესაბამისად იძლევა 24.90 mA cm-2 (კონტროლი) და 25.18 mA cm-2 (LOS PSC) ინტეგრირებულ Jsc-ს, რაც კარგად შეესაბამებოდა სტანდარტულ AM 1.5 G სპექტრში გაზომილ Jsc-ს (სურ. 4d). კონტროლისა და LOS PSC-ებისთვის გაზომილი PCE-ების სტატისტიკური განაწილება ნაჩვენებია დამატებით სურათ 20-ში.
როგორც ნაჩვენებია ნახაზ 4e-ზე, Voc-სა და სინათლის ინტენსივობას შორის დამოკიდებულება გამოითვალა PbC2O4-ის ხაფანგებით დახმარებულ ზედაპირულ რეკომბინაციაზე ზემოქმედების შესასწავლად. LOS მოწყობილობისთვის მორგებული ხაზის დახრილობაა 1.16 kBT/კვ.მ., რაც უფრო დაბალია, ვიდრე საკონტროლო მოწყობილობისთვის მორგებული ხაზის დახრილობა (1.31 kBT/კვ.მ.), რაც ადასტურებს, რომ LOS სასარგებლოა ზედაპირული რეკომბინაციის სატყუარებით ინჰიბირებისთვის. ჩვენ ვიყენებთ სივრცის მუხტის დენის შემზღუდველი (SCLC) ტექნოლოგიას პეროვსკიტის ფენის დეფექტის სიმკვრივის რაოდენობრივად გასაზომად ხვრელიანი მოწყობილობის მუქი IV მახასიათებლის გაზომვით (ITO/PEDOT:PSS/პეროვსკიტი/სპირო-OMeTAD/Au), როგორც ეს ნაჩვენებია ნახაზზე. 4f ნახ. ხაფანგის სიმკვრივე გამოითვლება ფორმულით Nt = 2ε0εVTFL/eL2, სადაც ε არის პეროვსკიტის ფენის ფარდობითი დიელექტრიკული მუდმივა, ε0 არის ვაკუუმის დიელექტრიკული მუდმივა, VTFL არის ხაფანგის შესავსები შემზღუდველი ძაბვა, e არის მუხტი, L არის პეროვსკიტის ფენის სისქე (650 ნმ). VOC მოწყობილობის დეფექტის სიმკვრივე გამოითვლება 1.450 × 1015 სმ–3-ის ტოლი, რაც უფრო დაბალია, ვიდრე საკონტროლო მოწყობილობის დეფექტის სიმკვრივე, რომელიც 1.795 × 1015 სმ–3-ია.
შეუფუთავი მოწყობილობა გამოიცადა მაქსიმალური სიმძლავრის წერტილში (MPP) სრული დღის სინათლეზე, აზოტის ქვეშ, მისი გრძელვადიანი მუშაობის სტაბილურობის შესასწავლად (სურათი 5ა). 550 საათის შემდეგ, LOS მოწყობილობა კვლავ ინარჩუნებდა მაქსიმალური ეფექტურობის 92%-ს, ხოლო საკონტროლო მოწყობილობის მუშაობა დაეცა თავდაპირველი მუშაობის 60%-მდე. ძველ მოწყობილობაში ელემენტების განაწილება გაიზომა მეორადი იონების მას-სპექტრომეტრიის დროის გამოყენებით (ToF-SIMS) (სურ. 5ბ, გ). იოდის დიდი დაგროვება შეინიშნება ოქროს ზედა საკონტროლო არეალში. ინერტული აირის დაცვის პირობები გამორიცხავს გარემოს დამანგრეველ ფაქტორებს, როგორიცაა ტენიანობა და ჟანგბადი, რაც მიუთითებს, რომ შინაგანი მექანიზმები (ანუ იონების მიგრაცია) პასუხისმგებელია ამაზე. ToF-SIMS-ის შედეგების მიხედვით, Au ელექტროდში აღმოჩენილი იქნა I- და AuI2- იონები, რაც მიუთითებს I-ს დიფუზიაზე პეროვსკიტიდან Au-ში. საკონტროლო მოწყობილობაში I- და AuI2- იონების სიგნალის ინტენსივობა დაახლოებით 10-ჯერ აღემატება VOC ნიმუშის სიგნალს. წინა ანგარიშებში ნაჩვენებია, რომ იონების შეღწევადობამ შეიძლება გამოიწვიოს სპირო-OMeTAD-ის ხვრელის გამტარობის სწრაფი შემცირება და ზედა ელექტროდის ფენის ქიმიური კოროზია, რითაც უარესდება მოწყობილობაში ზედაპირული კონტაქტი37,38. Au ელექტროდი ამოღებულია და სპირო-OMeTAD ფენა გაიწმინდა სუბსტრატიდან ქლორბენზოლის ხსნარით. შემდეგ ჩვენ დავახასიათეთ ფენა რენტგენის დიფრაქციის (GIXRD) გამოყენებით (სურათი 5d). შედეგები აჩვენებს, რომ საკონტროლო ფენას აქვს აშკარა დიფრაქციული პიკი 11.8°-ზე, ხოლო LOS ნიმუშში ახალი დიფრაქციული პიკი არ ჩანს. შედეგები აჩვენებს, რომ საკონტროლო ფენაში I იონების დიდი დანაკარგები იწვევს δ ფაზის წარმოქმნას, ხოლო LOS ფენაში ეს პროცესი აშკარად ინჰიბირებულია.
575 საათიანი უწყვეტი MPP თვალყურის დევნება გაუხსნელი მოწყობილობისთვის აზოტის ატმოსფეროში და 1 მზის შუქზე ულტრაიისფერი ფილტრის გარეშე. b I- და c AuI2- იონების ToF-SIMS განაწილება LOS MPP კონტროლის მოწყობილობასა და დაძველების მოწყობილობაში. ყვითელი, მწვანე და ნარინჯისფერი ელფერები შეესაბამება Au, Spiro-OMeTAD და პეროვსკიტს. პეროვსკიტის ფირის d GIXRD MPP ტესტის შემდეგ. წყაროს მონაცემები მოწოდებულია წყაროს მონაცემთა ფაილების სახით.
ტემპერატურაზე დამოკიდებული გამტარობა გაიზომა იმის დასადასტურებლად, რომ PbC2O4-ს შეუძლია იონების მიგრაციის დათრგუნვა (დამატებითი სურათი 21). იონების მიგრაციის აქტივაციის ენერგია (Ea) განისაზღვრება FAPbI3 ფენის გამტარობის ცვლილების (σ) გაზომვით სხვადასხვა ტემპერატურაზე (T) და ნერნსტ-აინშტაინის დამოკიდებულების გამოყენებით: σT = σ0exp(−Ea/kBT), სადაც σ0 არის მუდმივა, kB არის ბოლცმანის მუდმივა. Ea-ს მნიშვნელობას ვიღებთ ln(σT)-ის დახრიდან 1/T-ის მიმართ, რომელიც არის 0.283 eV კონტროლისთვის და 0.419 eV LOS მოწყობილობისთვის.
შეჯამებისთვის, ჩვენ გთავაზობთ თეორიულ ჩარჩოს FAPbI3 პეროვსკიტის დაშლის გზის დასადგენად და სხვადასხვა დეფექტების გავლენის დასადგენად α-δ ფაზური გადასვლის ენერგეტიკულ ბარიერზე. ამ დეფექტებს შორის, თეორიულად პროგნოზირებულია, რომ VI დეფექტები ადვილად იწვევენ α-დან δ-ზე ფაზურ გადასვლას. წყალში უხსნადი და ქიმიურად სტაბილური PbC2O4-ის მკვრივი ფენა შეჰყავთ FAPbI3-ის α-ფაზის სტაბილიზაციისთვის I ვაკანსიების წარმოქმნის და I იონების მიგრაციის ინჰიბირებით. ეს სტრატეგია მნიშვნელოვნად ამცირებს ინტერფაზურ არარადიაციულ რეკომბინაციას, ზრდის მზის ელემენტის ეფექტურობას 25.39%-მდე და აუმჯობესებს მუშაობის სტაბილურობას. ჩვენი შედეგები იძლევა სახელმძღვანელოს ფორმამიდინის PSC-ების ეფექტური და სტაბილური მიღწევისთვის დეფექტით გამოწვეული α-დან δ ფაზურ გადასვლის ინჰიბირებით.
ტიტანის (IV) იზოპროპოქსიდი (TTIP, 99.999%) შეძენილი იქნა Sigma-Aldrich-ისგან. მარილმჟავა (HCl, 35.0–37.0%) და ეთანოლი (უწყლო) შეძენილი იქნა Guangzhou Chemical Industry-ისგან. SnO2 (15 წონითი% კალის (IV) ოქსიდის კოლოიდური დისპერსია) შეძენილი იქნა Alfa Aesar-ისგან. ტყვიის (II) იოდიდი (PbI2, 99.99%) შეძენილი იქნა TCI Shanghai-სგან (ჩინეთი). ფორმამიდინის იოდიდი (FAI, ≥99.5%), ფორმამიდინის ქლორიდი (FACl, ≥99.5%), მეთილამინის ჰიდროქლორიდი (MACl, ≥99.5%), 2,2′,7,7′-ტეტრაკის-(N, N-დი-p))-მეტოქსიანილინ)-9,9′-სპირობიფლუორენი (Spiro-OMeTAD, ≥99.5%), ლითიუმ ბის(ტრიფლუორმეთან)სულფონილიმიდი (Li-TFSI, 99.95%), 4-ტერტ-ბუტილპირიდინი (tBP, 96%) შეძენილი იქნა Xi'an Polymer Light Technology Company-ისგან (ჩინეთი). N,N-დიმეთილფორმამიდი (DMF, 99.8%), დიმეთილ სულფოქსიდი (DMSO, 99.9%), იზოპროპილის სპირტი (IPA, 99.8%), ქლორბენზოლი (CB, 99.8%), აცეტონიტრილი (ACN). შეძენილია Sigma-Aldrich-ისგან. ოქსილის მჟავა (H2C2O4, 99.9%) შეძენილი იქნა მაკლინისგან. ყველა ქიმიკატი გამოყენებული იქნა ისე, როგორც მიღებული იყო, ყოველგვარი სხვა მოდიფიკაციის გარეშე.
ITO ან FTO სუბსტრატები (1.5 × 1.5 სმ2) ულტრაბგერით გაიწმინდა სარეცხი საშუალებით, აცეტონით და ეთანოლით, შესაბამისად, 10 წუთის განმავლობაში და შემდეგ გაშრა აზოტის ნაკადის ქვეშ. მკვრივი TiO2 ბარიერული ფენა დაიტანეს FTO სუბსტრატზე ტიტანის დიიზოპროპოქსიბისის (აცეტილაცეტონატის) ეთანოლში (1/25, v/v) ხსნარის გამოყენებით, რომელიც დაიტანეს 500°C ტემპერატურაზე 60 წუთის განმავლობაში. SnO2 კოლოიდური დისპერსია განზავდა დეიონიზებული წყლით 1:5 მოცულობითი თანაფარდობით. 20 წუთის განმავლობაში ულტრაიისფერი ოზონით დამუშავებულ სუფთა სუბსტრატზე, SnO2 ნანონაწილაკების თხელი ფენა დაიტანეს 4000 ბრ/წთ სიჩქარით 30 წამის განმავლობაში და შემდეგ წინასწარ გააცხელეს 150°C-ზე 30 წუთის განმავლობაში. პეროვსკიტის წინამორბედის ხსნარისთვის, 275.2 მგ FAI, 737.6 მგ PbI2 და FACl (20 მოლ%) გაიხსნა DMF/DMSO (15/1) შერეულ გამხსნელში. პეროვსკიტის ფენა მომზადდა 40 μL პეროვსკიტის პრეკურსორის ხსნარის ცენტრიფუგირებით ულტრაიისფერი ოზონით დამუშავებულ SnO2 ფენაზე 5000 ბრ/წთ სიჩქარით, გარემოს ჰაერზე 25 წამის განმავლობაში. ბოლო შესხურებიდან 5 წამის შემდეგ, 50 μL MACl IPA ხსნარი (4 მგ/მლ) სწრაფად დააწვეთეს სუბსტრატზე ანტიგამხსნელის სახით. შემდეგ, ახლად მომზადებული აპკები გაცხელდა 150°C-ზე 20 წუთის განმავლობაში და შემდეგ 100°C-ზე 10 წუთის განმავლობაში. პეროვსკიტის აპკის ოთახის ტემპერატურამდე გაგრილების შემდეგ, H2C2O4 ხსნარი (1, 2, 4 მგ გახსნილი 1 მლ IPA-ში) ცენტრიფუგირდა 4000 ბრ/წთ-ზე 30 წამის განმავლობაში, პეროვსკიტის ზედაპირის პასივაციის მიზნით. 72.3 მგ სპირო-OMeTAD-ის, 1 მლ CB-ის, 27 µლ tBP-ის და 17.5 µლ Li-TFSI-ის (520 მგ 1 მლ აცეტონიტრილში) შერევით მომზადებული სპირო-OMeTAD-ის ხსნარი დაწნული საფარით დააფინეს აპკზე 4000 ბრ/წთ სიჩქარით 30 წამის განმავლობაში. საბოლოოდ, 100 ნმ სისქის Au ფენა აორთქლდა ვაკუუმში 0.05 ნმ/წმ (0~1 ნმ), 0.1 ნმ/წმ (2~15 ნმ) და 0.5 ნმ/წმ (16~100 ნმ) სიჩქარით.
პეროვსკიტის მზის უჯრედების SC მუშაობა გაიზომა Keithley 2400 მეტრით, მზის სიმულატორის განათების ქვეშ (SS-X50) 100 მვტ/სმ2 სინათლის ინტენსივობით და გადამოწმდა კალიბრირებული სტანდარტული სილიკონის მზის უჯრედების გამოყენებით. თუ სხვა რამ არ არის მითითებული, SP მრუდები გაიზომა აზოტით სავსე ხელთათმანების ყუთში ოთახის ტემპერატურაზე (~25°C) წინ და უკან სკანირების რეჟიმებში (ძაბვის საფეხური 20 მვ, დაყოვნების დრო 10 მილიწამი). გაზომილი PSC-სთვის 0.067 სმ2 ეფექტური ფართობის დასადგენად გამოყენებული იქნა ჩრდილის ნიღაბი. EQE გაზომვები ჩატარდა ატმოსფერულ ჰაერში PVE300-IVT210 სისტემის (Industrial Vision Technology(s) Pte Ltd) გამოყენებით, მოწყობილობაზე ფოკუსირებული მონოქრომატული სინათლით. მოწყობილობის სტაბილურობისთვის, არაკაფსულირებული მზის უჯრედების ტესტირება ჩატარდა აზოტის ხელთათმანების ყუთში 100 მვტ/სმ2 წნევის ქვეშ, ულტრაიისფერი ფილტრის გარეშე. ToF-SIMS იზომება PHI nanoTOFII ფრენის დროის SIMS-ის გამოყენებით. სიღრმის პროფილირება მიღებული იქნა 4 კვ-იანი Ar იონური იარაღის გამოყენებით, რომლის ფართობია 400×400 μm.
რენტგენის ფოტოელექტრონული სპექტროსკოპიის (XPS) გაზომვები ჩატარდა Thermo-VG Scientific სისტემაზე (ESCALAB 250) მონოქრომატიზებული Al Kα-ს (XPS რეჟიმისთვის) გამოყენებით 5.0 × 10–7 Pa წნევით. სკანირებადი ელექტრონული მიკროსკოპია (SEM) ჩატარდა JEOL-JSM-6330F სისტემაზე. პეროვსკიტის ფირების ზედაპირის მორფოლოგია და უხეშობა გაიზომა ატომური ძალის მიკროსკოპიის (AFM) (Bruker Dimension FastScan) გამოყენებით. STEM და HAADF-STEM ინახება FEI Titan Themis STEM-ზე. UV-Vis შთანთქმის სპექტრები გაიზომა UV-3600Plus (Shimadzu Corporation) გამოყენებით. სივრცის მუხტის შემზღუდველი დენი (SCLC) დაფიქსირდა Keithley 2400 მეტრზე. მატარებლის სიცოცხლის ხანგრძლივობის დაშლის სტაციონარული ფოტოლუმინესცენცია (PL) და დროში გადაჭრილი ფოტოლუმინესცენცია (TRPL) გაიზომა FLS 1000 ფოტოლუმინესცენციის სპექტრომეტრის გამოყენებით. PL რუკების შედგენის სურათები გაიზომა Horiba LabRam Raman სისტემის HR Evolution გამოყენებით. ფურიეს გარდაქმნის ინფრაწითელი სპექტროსკოპია (FTIR) ჩატარდა Thermo-Fisher Nicolet NXR 9650 სისტემის გამოყენებით.
ამ ნაშრომში, ჩვენ ვიყენებთ SSW გზის შერჩევის მეთოდს ფაზური გადასვლის გზის α-ფაზიდან δ-ფაზაში შესასწავლად. SSW მეთოდში, პოტენციური ენერგიის ზედაპირის მოძრაობა განისაზღვრება შემთხვევითი რბილი რეჟიმის (მეორე წარმოებული) მიმართულებით, რაც საშუალებას იძლევა პოტენციური ენერგიის ზედაპირის დეტალური და ობიექტური შესწავლის. ამ ნაშრომში, გზის შერჩევა ხორციელდება 72 ატომიან სუპერუჯრედზე და DFT დონეზე გროვდება 100-ზე მეტი საწყისი/საბოლოო მდგომარეობის (IS/FS) წყვილი. IS/FS წყვილური მონაცემების ნაკრების საფუძველზე, საწყისი სტრუქტურისა და საბოლოო სტრუქტურის დამაკავშირებელი გზის დადგენა შესაძლებელია ატომებს შორის შესაბამისობით, შემდეგ კი ცვლადი ერთეულის ზედაპირის გასწვრივ ორმხრივი მოძრაობა გამოიყენება გარდამავალი მდგომარეობის მეთოდის შეუფერხებლად დასადგენად. (VK-DESV). გარდამავალი მდგომარეობის ძიების შემდეგ, ყველაზე დაბალი ბარიერის მქონე გზის დადგენა შესაძლებელია ენერგეტიკული ბარიერების რანჟირებით.
ყველა DFT გამოთვლა ჩატარდა VASP-ის (ვერსია 5.3.5) გამოყენებით, სადაც C, N, H, Pb და I ატომების ელექტრონ-იონური ურთიერთქმედებები წარმოდგენილია პროეცირებული გაძლიერებული ტალღის (PAW) სქემით. გაცვლითი კორელაციის ფუნქცია აღწერილია პერდიუ-ბურკე-ერნზერჰოფის პარამეტრიზაციის განზოგადებული გრადიენტის მიახლოებით. სიბრტყის ტალღების ენერგიის ლიმიტი დაყენებული იყო 400 eV-ზე. მონკჰორსტ-პაკის k-წერტილოვანი ბადის ზომაა (2 × 2 × 1). ყველა სტრუქტურისთვის, ბადისებრი და ატომური პოზიციები სრულად ოპტიმიზირებული იყო მანამ, სანამ მაქსიმალური დაძაბულობის კომპონენტი არ იყო 0.1 GPa-ზე ნაკლები და მაქსიმალური ძალის კომპონენტი არ იყო 0.02 eV/Å-ზე ნაკლები. ზედაპირის მოდელში, FAPbI3-ის ზედაპირს აქვს 4 ფენა, ქვედა ფენას აქვს ფიქსირებული ატომები, რომლებიც ახდენენ FAPbI3-ის სხეულის სიმულირებას, ხოლო ზედა სამ ფენას შეუძლია თავისუფლად გადაადგილება ოპტიმიზაციის პროცესის დროს. PbC2O4 შრის სისქე 1 მლ-ია და ის FAPbI3-ის I-ტერმინალურ ზედაპირზე მდებარეობს, სადაც Pb დაკავშირებულია 1 I-თან და 4 O-სთან.
კვლევის დიზაინის შესახებ დამატებითი ინფორმაციისთვის იხილეთ ამ სტატიასთან დაკავშირებული ბუნებრივი პორტფოლიოს ანგარიშის რეზიუმე.
ამ კვლევის დროს მიღებული ან გაანალიზებული ყველა მონაცემი შეტანილია გამოქვეყნებულ სტატიაში, ასევე დამხმარე ინფორმაციასა და ნედლ მონაცემთა ფაილებში. ამ კვლევაში წარმოდგენილი ნედლი მონაცემები ხელმისაწვდომია შემდეგ ბმულზე: https://doi.org/10.6084/m9.figshare.2410016440. ამ სტატიისთვის მოცემულია წყაროს მონაცემები.
გრინი, მ. და სხვ. მზის ელემენტების ეფექტურობის ცხრილები (57-ე გამოცემა). პროგრამა. ფოტოელექტრული. რესურსი. გამოყენება. 29, 3–15 (2021).
პარკერ ჯ. და სხვ. პეროვსკიტის ფენების ზრდის კონტროლი აქროლადი ალკილ ამონიუმის ქლორიდების გამოყენებით. Nature 616, 724–730 (2023).
ჟაო ი. და სხვ. არააქტიური (PbI2)2RbCl ასტაბილურებს პეროვსკიტის ფირებს მაღალი ეფექტურობის მზის უჯრედებისთვის. Science 377, 531–534 (2022).
ტანი, კ. და სხვ. ინვერსიული პეროვსკიტის მზის უჯრედები დიმეთილაკრიდინილის დოპანტის გამოყენებით. ბუნება, 620, 545–551 (2023).
ჰანი, კ. და სხვ. ერთკრისტალური ფორმამიდინის ტყვიის იოდიდი (FAPbI3): სტრუქტურული, ოპტიკური და ელექტრული თვისებების შესწავლა. ზმნიზედა. მათე 28, 2253–2258 (2016).
მესი, ს. და სხვ. შავი პეროვსკიტის ფაზის სტაბილიზაცია FAPbI3-სა და CsPbI3-ში. AKS Energy Communications. 5, 1974–1985 (2020).
შენ, ჯ.ჯ. და სხვ. პეროვსკიტის მზის უჯრედების ეფექტურობა მატარებლების მართვის გაუმჯობესების გზით. ბუნება 590, 587–593 (2021).
სალიბა მ. და სხვ. რუბიდიუმის კათიონების პეროვსკიტის მზის უჯრედებში შეყვანა აუმჯობესებს ფოტოელექტრული ენერგიის მუშაობას. Science 354, 206–209 (2016).
სალიბა მ. და სხვ. სამკათიონიანი პეროვსკიტის ცეზიუმის მზის უჯრედები: გაუმჯობესებული სტაბილურობა, რეპროდუცირებადობა და მაღალი ეფექტურობა. ენერგეტიკული გარემო. მეცნიერება. 9, 1989–1997 (2016).
კუი X. და სხვ. FAPbI3 ფაზის სტაბილიზაციის ბოლოდროინდელი მიღწევები მაღალი ხარისხის პეროვსკიტის მზის უჯრედებში. Sol. RRL 6, 2200497 (2022).
დელაგეტა ს. და სხვ. შერეული ჰალოიდური ორგანულ-არაორგანული პეროვსკიტების რაციონალიზებული ფოტოინდუცირებული ფაზური გამოყოფა. Nat. communication. 8, 200 (2017).
სლოტკავაჯი, დიჯეი და სხვ. სინათლით გამოწვეული ფაზური გამოყოფა ჰალოიდურ პეროვსკიტურ შთამნთქმელებში. AKS Energy Communications. 1, 1199–1205 (2016).
ჩენი, ლ. და სხვ. ფორმამიდინის ტყვიის ტრიიოდიდის პეროვსკიტის მონოკრისტალის შინაგანი ფაზის სტაბილურობა და შინაგანი ზოლური უფსკრული. ანჯივა. ქიმიური. საერთაშორისოობა. რედ. 61. e202212700 (2022).
დუინსტი, ე.ა. და ა.შ. მეთილენდიამონიუმის დაშლისა და მისი როლის გაგება ტყვიის ტრიიოდიდის ფორმამიდინის ფაზურ სტაბილიზაციაში. J. Chem. Bitch. 18, 10275–10284 (2023).
ლუ, ჰზ და სხვ. შავი პეროვსკიტის მზის უჯრედების FAPbI3 ეფექტური და სტაბილური ორთქლის დეპონირება. Science 370, 74 (2020).
დოჰერტი, ტას და სხვები. სტაბილური დახრილი ოქტაედრული ჰალოგენიდური პეროვსკიტები თრგუნავენ შეზღუდული მახასიათებლების მქონე ფაზების ლოკალიზებულ ფორმირებას. Science 374, 1598–1605 (2021).
ჰო, კ. და სხვ. ფორმამიდინის მარცვლების და ცეზიუმისა და ტყვიის იოდიდის პეროვსკიტების ტრანსფორმაციისა და დეგრადაციის მექანიზმები ტენიანობისა და სინათლის ზემოქმედებით. AKS Energy Communications. 6, 934–940 (2021).
ჟენგ ჯ. და სხვ. ფსევდოჰალოგენიდური ანიონების შემუშავება α-FAPbI3 პეროვსკიტის მზის უჯრედებისთვის. Nature 592, 381–385 (2021).