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YanFa: An Online Automatic Scoring and Intelligent Feedback System of Student English-Chinese Translation
No full textAbstract Online learning calls for instant assessment and feedback. YanFa is a system developed to score online EnglishChinese translation exercises with intelligent feedback for Chinese non-English majors. With the aid of HowNet and Cilin-Chinese Synonym Set (Extended Version), the system adopts the hybrid approach to scoring student translation semantically. It compares student translation with model translation by Synonym Matching, Sentence-pattern Matching and Word Similarity Calculating respectively. The experiment results show that the correlation ratio between the scores given by the system and by human raters is 0.58, which indicates that the algorithm is able to fulfill the task of automated scoring. YanFa is also able to provide feedback on syntactic mistakes made by students through interacting with them. It asks students to analyze the English sentence elements. Then it compares the student analyses with those of the parser and points out the parts which might lead to their wrong understanding as well as their wrong translating
Laser Terahertz Emission Microscope for Imaging Grain Heterogeneity: A Case Study of CH3NH3PbI3 Perovskite Semiconductors
No full textStrong terahertz (THz) emission from the methylammonium lead iodide (MAPbI3) perovskite semiconductors has been observed following above-bandgap photoexcitation, yet local THz responses of crystalline microstructures are absent. We implement laser THz emission microscope (LTEM), yet-to-be applied to the perovskite semiconductors, as a novel and complementary tool to evaluate the electronic and grain heterogeneity of MAPbI3 thin films. Two MAPbI3 samples with different grain sizes are studied. Using this approach, we show that the one with a larger grain size gives more uniform THz radiation. More significant spatial THz intensity fluctuation is observed for the sample with a smaller grain size.This article is published as Liu, Zhaoyu, Liang Luo, Joongmok Park, Richard HJ Kim, Zhaoning Song, Deniz Turan, Mona Jarrahi, Yanfa Yan, and Jigang Wang. "Laser Terahertz Emission Microscope for Imaging Grain Heterogeneity: A Case Study of CH3NH3PbI3 Perovskite Semiconductors." Crystals 12, no. 10 (2022): 1462.
DOI: 10.3390/cryst12101462.
Copyright 2022 by the authors.
Attribution 4.0 International (CC BY 4.0).
Posted with permission.
DOE Contract Number(s): AC02-07CH11358; SC0016925; 1611454; DMR 1400432
Terahertz Nanoimaging of Perovskite Solar Cell Materials
No full textDirect visualization and quantitative evaluation of charge filling in grain boundary (GB) traps of hybrid metal halide perovskites require dynamic conductivity imaging simultaneously at the terahertz (THz) frequency and nanometer (nm) spatial scales not accessible by conventional transport and imaging methods used thus far. Here, we apply a THz near-field nanoconductivity mapping to the archetypal metal halide perovskite photovoltaic films and demonstrate that it is a powerful tool to reveal distinct dielectric heterogeneity due to charge trapping and degradation at the single GB level. Our approach visualizes the filled defect ion traps by local THz charge conductivity and allows for extracting a quantitative profile of trapping density in the vicinity of GBs with sub-20 nm resolution. Furthermore, imaging material degradation by tracking local nanodefect distributions overtime identifies a distinct degradation pathway that starts from the GBs and propagates inside the grains over time. The single GB, nano-THz conductivity imaging demonstrated here can be extended to benchmark various perovskite materials and devices for their global photoenergy conversion performance and local charge transfer proprieties of absorbers and interfaces.This document is the unedited Author’s version of a Submitted Work that was subsequently accepted for publication as Kim, Richard HJ, Zhaoyu Liu, Chuankun Huang, Joong-Mok Park, Samuel J. Haeuser, Zhaoning Song, Yanfa Yan, Yongxin Yao, Liang Luo, and Jigang Wang. "Terahertz Nanoimaging of Perovskite Solar Cell Materials." ACS Photonics 9, no. 11 (2022): 3550-3556.
Copyright 2022 American Chemical Society after peer review.
To access the final edited and published work see DOI: 10.1021/acsphotonics.2c00861.
Posted with permission.
DOE Contract Number(s): AC02- 07CH11358; 180781
Application of Transmission Electron Microscopy in the Research of Inorganic Photovoltaic Materials
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Effects of dislocation strain fields on Bragg lines in an Al70Co15Ni15 decagonal quasicrystal studied by an improved LACBED technique
No full textEffects of dislocation strain fields on Bragg lines in an Al70Co15Ni15 decagonal quasicrystal have been studied by using an improved large-angle convergent-beam electron diffraction technique. It is found that the effects are the same as that in conventional crystals.Les effets induits par les champs de contraintes des dislocations sur les lignes de Bragg observées dans un quasicristal décagonal Al70Co15Ni15, ont été étudiés par une technique améliorée de diffraction électronique en faisceau convergent à grand angle. Il est montré que ces effets sont semblables à ceux observés dans des cristaux conventionnels
Einfluss selektiver Kontaktschichten und Grenzflächenbehandlungen auf Effizienz und Stabilität von Perowskit-Solarzellen
No full textThere is an urgent need for renewable energy technologies that are affordable and can be deployed rapidly to mitigate climate change. Global average temperatures surpassed the 1.5 °C threshold for the first time in 2024, underscoring the shortcomings of current mitigation strategies and reinforcing the demand for scalable, high-efficiency energy solutions. Owing to substantial cost reductions over the past decade, photovoltaics (PV) have become the most cost-effective source of electricity in many parts of the world. However, further cost reductions through improvements in device performance and operational lifetime are required to meet global deployment targets.
As the performance of single-junction silicon solar cells, which currently dominate the PV market, approaches its theoretical limit, tandem devices that combine silicon with wide-bandgap metal halide perovskite top cells offer a clear path forward. Such devices have already demonstrated small-area efficiencies exceeding the single-junction limit of 33.7 %. With the promise of low-temperature, low-cost processing and a theoretical efficiency exceeding 40 %, perovskite-silicon tandem solar cells have emerged as a leading candidate for the next generation of solar cell technologies aimed at further reducing energy costs. However, challenges related to upscaling, interfacial losses, and device instability continue to slow down large-scale commercialization.
This thesis investigates how interfacial energetics, ionic transport, and chemical degradation processes at the interface with the electron-transporting layer (ETL) fullerene C₆₀ affect the efficiency and stability of metal halide perovskite single-junction solar cells with a 1.68 eV bandgap, tailored for tandem integration. A combined approach of optoelectronic characterization and drift-diffusion simulations is used to quantify losses associated with individual functional layers. Photoelectron spectroscopy reveals that the offset between the perovskite conduction band and the C₆₀ lowest unoccupied molecular orbital leads to an increased hole concentration at the interface, resulting in enhanced non-radiative recombination.
To mitigate these interfacial losses, molecular surface passivation strategies are explored. Surface treatment with piperazinium iodide (PI) is shown to effectively eliminate voltage losses caused by recombination at the perovskite/C₆₀ interface, enabling a certified power conversion efficiency of 32.5 % in a tandem device. The improvement is attributed to dipole-induced band realignment and enhanced selectivity, analogous to field-effect passivation or heavily doped emitters in silicon solar cells.
Despite the performance gains, long-term stability under continuous illumination is reduced. A systematic investigation of diammonium-based surface treatments reveals a trade-off between voltage enhancement and operational stability, governed by induced band bending and ion redistribution. Finally, the chemical reactivity of the molecular treatments is addressed through the design of chemically robust quaternary ammonium analogues, which suppress degradation while retaining passivation functionality.
In summary, this work provides a detailed physical and chemical analysis of interface-related losses in wide-bandgap perovskite solar cells and proposes targeted strategies for their mitigation. The insights gained support the development of efficient and stable perovskite-based tandem photovoltaics and inform future interface and material design.Es besteht ein dringender Bedarf an erneuerbaren Energietechnologien, die sowohl kostengünstig als auch schnell skalierbar sind, um dem Klimawandel wirksam entgegenzuwirken. Im Jahr 2024 überschritten die globalen Durchschnittstemperaturen erstmals die Schwelle von 1,5 °C, was die Unzulänglichkeit bisheriger Gegenmaßnahmen unterstreicht und die Notwendigkeit effizienter, skalierbarer Energiesysteme verdeutlicht. Durch erhebliche Kostenreduktionen in den letzten zehn Jahren haben sich Photovoltaiksysteme (PV) zur kostengünstigsten Form der Stromerzeugung in vielen Teilen der Welt entwickelt. Dennoch sind weitere Kostensenkungen, insbesondere durch Leistungssteigerung und Verlängerung der Lebensdauer von PV-Modulen, entscheidend, um globale Ausbauziele zu erreichen.
Da sich die Effizienz von Einfachsolarzellen aus kristallinem Silizium, die derzeit den PV-Markt dominieren, ihrem theoretischen Maximum nähert, stellen Tandem-Solarzellen, die Silizium mit Metallhalogenid-Perowskiten mit großer Bandlücke kombinieren, eine vielversprechende Zukunftstechnologie dar. Solche Zellen haben bereits auf kleiner Fläche Wirkungsgrade oberhalb des Shockley–Queisser-Limits für Einzelzellen von 33,7 % erreichen können. Aufgrund ihres Potenzials für kostengünstige Herstellung bei niedrigen Temperaturen und einem theoretischen Effizienzmaximum von über 40 % gelten Perowskit-Silizium-Tandem-Solarzellen als die aktuell vielversprechendste Technologie, um die Kosten von Solarenergie in den kommenden Jahren weiter zu senken. Die breite Kommerzialisierung wird jedoch weiterhin durch Herausforderungen wie Grenzflächenverluste, begrenzte Stabilität und Skalierungsverluste erschwert.
Diese Arbeit untersucht, wie Energetik, ionischer Transport und chemische Degradationsprozesse an der Grenzfläche zur Elektronentransportschicht (ETL) Fullerene C₆₀ die Effizienz und Stabilität von Perowskit-Einzelzellen beeinflussen. Diese Zellen sind mit einer Bandlücke von 1,68 eV und dem verwendeten Schichtstapel auf die Implementierung in Tandemsolarzellen zugeschnitten. Eine Kombination aus optoelektronischer Charakterisierung und Drift-Diffusions-Simulationen wird eingesetzt, um die Verluste einzelner funktionaler Schichten zu quantifizieren. Photoelektronenspektroskopie (PES) zeigt, dass ein energetischer Versatz zwischen dem Leitungsband des Perowskits und dem LUMO von C₆₀ zur Akkumulation von Löchern an der Grenzfläche führt, was selbst bei moderaten Rekombinationsgeschwindigkeiten zu erhöhter nicht-strahlender Rekombination führt.
Zur Reduktion dieser Verluste werden molekulare Passivierungsstrategien entwickelt. Eine Oberflächenbehandlung mit Piperaziniumiodid (PI) unterdrückt wirksam die Rekombination an der Perowskit/C₆₀-Grenzfläche und trug maßgeblich eine zertifizierte Tandem-Effizienz von 32,5 %. Die Verbesserung beruht auf einer Kombination aus dipolinduzierter Bandausrichtung und erhöhter Selektivität, vergleichbar mit Feldpassivierung oder stark dotierten Emittern in Silizium-Solarzellen.
Trotz dieser Effizienzgewinne zeigt sich unter Langzeitbeleuchtung eine reduzierte Stabilität bei Verwendung von PI. Um diese zu verbessern, wird eine systematische Untersuchung von Diammoniumsalzen durchgeführt. Der Austausch des Iodid-Anions durch Chlorid, Tosylat und Bistriflimid zeigt eine klare Korrelation zwischen induzierter Bandbiegung und erreichter Zellspannung. Während eine stärkere feldinduzierte n-artige Grenzflächencharakteristik zu höheren Leerlaufspannungen führt, geht dies mit verringerter Stabilität einher. Piperazinium-Bistriflimid zeigt hingegen minimale energetische Veränderungen und die beste Langzeitstabilität. Tosylat stellt einen ausgewogenen Kompromiss dar. Zuletzt adressiert die Arbeit die chemische Reaktivität der molekularen Oberflächenbehandlungen. Dazu werden chemisch inerte, quartäre Analoge der in der Arbeit untersuchten Diammoniumverbindungen entworfen, welche geringere Reaktivität bei gleichzeitigem Aufrechterhalten ihrer Passivierungseigenschaften erhalten.
Abschließend liefert diese Arbeit eine umfassende physikalische und chemische Analyse von Grenzflächenverlusten in Perowskit-Solarzellen mit großer Bandlücke und leitet daraus konkrete material- und grenzflächenspezifische Designstrategien ab.. Die gewonnenen Erkenntnisse leisten einen Beitrag zur Entwicklung effizienter und stabiler Tandem-Photovoltaik und formulieren zentrale Anforderungen an zukünftige Material- und Grenzflächendesigns
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