Os cientistas de materiais visam permitir a recombinação de carga não radiativa mediada por armadilha de superfície para projetar fotovoltaicos de perovskita de haleto de metal altamente eficientes (células solares). Uma vez que a recombinação de carga improdutiva em defeitos de superfície pode limitar a eficiência das células solares de perovskita híbrida, os cientistas podem passivar os defeitos (induzir um tratamento químico ácido-base) usando pequenas ligações moleculares. O caráter iônico da rede perovskita pode permitir a passivação de defeitos moleculares por meio de interações entre grupos funcionais e defeitos de superfície. Contudo, existe uma falta de compreensão aprofundada sobre como as configurações moleculares podem influenciar a eficácia da passivação para facilitar o projeto molecular racional.

Em um novo relatório sobre Ciência , Rui Wang e uma equipa interdisciplinar de investigação nos departamentos de Física, Ciência e Engenharia de Materiais, Nanoengenharia, Química e Bioquímica e o Instituto de Nano Funcional e Materiais Suaves nos EUA e na China, investigou o ambiente químico de um grupo funcional ativado para passivação de defeito. Eles conduziram experimentos para alcançar maior eficiência de conversão de energia para fotovoltaicos de perovskita usando teofilina, compostos de cafeína e teobromina contendo grupos carbonila (C =O) e amino (N-H). Em experimentos tratados com teofilina, a ligação de hidrogênio do hidrogênio amino ao iodeto de superfície otimizou a interação da carbonila com um defeito anti-local de chumbo (Pb) para melhorar a eficiência de uma célula de perovskita de 21 para 22,6 por cento.

Os cientistas de materiais implementam a passivação de defeitos como uma estratégia importante para reduzir a recombinação de carga improdutiva e aumentar a eficiência de conversão de energia (PCE) de fotovoltaicos de filme fino de perovskita de haleto metálico policristalino para células solares. Com base na química ácido-base de Lewis, a natureza iônica da rede perovskita pode facilitar a passivação molecular por meio da ligação coordenada. Com base nas regras de design molecular, os cientistas podem selecionar moléculas com configurações de ligação ideais para tais atividades de passivação de defeitos de superfície. Nesse trabalho, Wang et al. demonstrou alta eficiência para dispositivos de perovskita (PV) por meio da identificação de defeitos e conduziu um projeto racional e extensas investigações do ambiente químico em torno do grupo funcional ativo para a passivação de defeitos. Em filmes finos policristalinos de perovskita de alta qualidade com grãos monocamada, os defeitos internos eram insignificantes em comparação com os defeitos superficiais.

A equipe de pesquisa usou cálculos da teoria funcional da densidade (DFT) para comparar as energias de formação de defeitos nativos selecionados na superfície da perovskita. Uma vez que as bordas da banda das perovskitas são compostas por orbitais de chumbo (Pb) e iodo (I), Wang et al. investigou especificamente defeitos pontuais envolvendo Pb e I, Vaga Pb (V _Pb ), Eu vaga (V _eu ) e defeitos anti-local de Pb-I. Usando espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS), a equipe de pesquisa confirmou que a superfície da película fina de perovskita fabricada a ser sintetizada em um método de duas etapas é rica em Pb. Então, usando a visão da camada superior das estruturas atômicas, eles estudaram defeitos de superfície, seguido pelo método de correção de dispersão 3 (DFT-D3) para calcular as energias de formação de defeito (DFE). Com base nos resultados, a equipe de pesquisa se concentrou na interação entre o Pb de superfície e o defeito do antissítio para considerar as moléculas candidatas à passivação do defeito. Por esta, eles escolheram um pequeno conjunto de moléculas que compartilhavam grupos funcionais idênticos, embora com estruturas químicas estrategicamente variáveis ​​para incluir teofilina, cafeína e teobromina, para interagir com os defeitos.

Essas moléculas são normalmente encontradas em produtos naturais, como chá, café e chocolate, e são, portanto, facilmente acessíveis. As moléculas também eram de natureza não volátil, tornando-os adequados para interações com defeitos em perovskita para estabilidade de longo prazo do dispositivo. Wang et al. incorporou teofilina na superfície de um filme fino de perovskita por meio de uma técnica de pós-tratamento para aumentar a PCE (eficiência de conversão de energia) de 21 por cento para 23 por cento nos dispositivos PV. Eles testaram as curvas de densidade-voltagem de corrente dos dispositivos fotovoltaicos com e sem tratamento com teofilina e creditaram a voltagem de circuito aberto aprimorada (V _OC ) à passivação de superfície pela teofilina devido às interações ácido-base de Lewis entre o grupo C =O na teofilina e os defeitos de superfície de Pb anti-local. Eles então compararam os resultados de um dispositivo tratado com teofilina com um dispositivo fotovoltaico de perovskita tratado com cafeína.

Subseqüentemente, Wang et al. localizou o grupo N-H próximo ao grupo C =O (carbonil) no mesmo anel de seis membros na teobromina para produzir uma distância mais curta entre os dois grupos, seguido pela desativação de interações espacialmente eficazes para formar uma energia de interação ainda mais fraca (E _int ) de -1,1 eV. Os resultados enfatizaram a importância da configuração construtiva dos grupos N-H e C =O para permitir interações multisite cooperativas e permitir o efeito de passivação sinérgica para formar perovskitas eficientes e estáveis. Wang et al. estudou a variação no C =O e PbI ₂ -interação de superfície de perovskita terminada com diferentes configurações usando espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR). Eles examinaram os efeitos de passivação de superfície das três moléculas usando diferentes configurações com fotoluminescência (PL) e observaram que a intensidade da PL aumentava visivelmente após o tratamento com teofilina. Eles também observaram aumento da intensidade da PL após o tratamento com cafeína, que não era tão forte quanto a teofilina e diminuiu a intensidade de PL para a teobromina em comparação com o material de referência; eles creditaram isso à configuração molecular destrutiva dos agentes de passivação para produzir locais de recombinação de carga aumentada.

Os cientistas então deduziram a densidade de armadilhas de estados (tDOS), ou seja, o número de estados ocupados no sistema, dentro de dispositivos fabricados por meio de capacitância dependente de frequência angular como uma função da energia de defeito. Os resultados demonstraram uma redução nos estados de armadilha para dispositivos de perovskita tratados com teofilina e cafeína em comparação com o material de referência. Em contraste, o tratamento com teobromina induziu mais estados de armadilha, consistente com a diminuição observada no PCE. Wang et al. confirmou a mudança no tDOS com diferentes tratamentos de superfície usando modelagem teórica e conduziu a caracterização de espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) para entender os processos de transporte de portadores sob iluminação na interface.

O dispositivo com tratamento de superfície com teofilina apresentou a menor impedância; significando uma recombinação de carga substancialmente suprimida na interface, originados de estados de defeitos superficiais reduzidos. Os dispositivos tratados com cafeína registraram uma impedância maior, enquanto os dispositivos tratados com teobromina demonstraram uma impedância ainda maior. Para entender a interface perovskita tratada com teofilina, os cientistas conduziram mais caracterizações usando espectroscopia de fotoelétrons ultravioleta (UPS) para medir a estrutura da banda de superfície. Seguido por microscopia de força atômica (AFM) combinada com microscopia de força de sonda Kelvin (KPFM) para entender a influência da teofilina na morfologia da superfície e potencial de superfície. As superfícies tratadas com teofilina exibiram maior potencial químico eletrônico em comparação com o filme de referência, mantendo a morfologia da superfície inalterada.

O filme de perovskita mostrou uma vida útil ligeiramente longa após o tratamento com teofilina, enquanto observava um perfil de deterioração mais rápido ao adicionar uma camada de transporte de orifícios no topo do filme para reduzir a recombinação e aumentar as propriedades de absorção. A melhoria da dinâmica do portador originou-se da passivação efetiva da superfície com teofilina. Quando Wang et al. caracterizou ainda a superfície usando medições de corrente induzida por feixe de elétrons em seção transversal (EBIC); Os dispositivos tratados com teofilina exibiram uma corrente EBIC mais alta em comparação com o dispositivo de referência para indicar uma maior eficiência de coleta de portadores.

O tratamento com teofilina também permitiu decadência mínima nas camadas de perovskita para resultar em menos locais de recombinação de superfície e mostrou histerese insignificante (defeitos microscópicos de superfície). A estabilidade de prateleira aprimorada dos dispositivos tratados com teofilina pode manter> 95 por cento de seu PCE original após armazenamento em condições ambientais de umidade por 60 dias. Desta maneira, Rui Wang e colegas alcançaram eficiência de conversão de energia estável para dispositivos fotovoltaicos após incorporar teofilina para estabilidade operacional de longo prazo.

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