DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-68213-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41491920
تاريخ النشر: 2026-01-05
المؤلف: Yijia Guo وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد البيروفسكايت وتطبيقاتها
نظرة عامة
تناقش هذه الفقرة التقدم في المرونة الحرارية لخلايا الشمسية المختلطة من Pb-Sn perovskite من خلال استبدال الكاتيونات المتطايرة من ميثيل الأمونيوم (MA\(^+\)) مع الفوراميدينيوم (FA\(^+\)) أو السيزيوم (Cs\(^+\)). بينما تظهر البيروفوسكيتات القائمة على Cs ذوبانًا منخفضًا وتميل إلى تشكيل طبقة سطحية كثيفة غنية بـ Cs خلال عملية بلورة المذيب المضاد (AS)، مما يعيق استخراج المذيب، فإن إدخال منظم متعدد القواعد لويس يسهل الحفاظ على قنوات استخراج المذيب المستدامة (SSC). تعزز هذه الابتكار البلورة الموحدة من البيروفوسكيت المختلط من Pb-Sn الخالي من MA في جميع أنحاء المادة.
تعتبر نتائج هذا النهج مهمة، حيث تحقق كفاءة تحويل الطاقة (PCE) تبلغ 22.7% في خلايا الشمسية من Pb-Sn perovskite القائمة على FA-Cs. علاوة على ذلك، بلغ تطوير خلية شمسية متسلسلة أحادية البيروفوسكيت كفاءة معتمدة تبلغ 29.2%، مما يمثل أعلى كفاءة معتمدة لخلايا الشمسية المتسلسلة من البيروفوسكيت الخالية من MA (TSCs). ومن الجدير بالذكر أن خلية الشمسية المختلطة من Pb-Sn القائمة على FACs غير المغلفة احتفظت بأكثر من 80% من كفاءتها الأولية بعد 800 ساعة من الشيخوخة عند 85 °م، مما يدل على الأداء العالي والاستقرار الحراري المعزز.
مقدمة
تناقش المقدمة التقدم والتحديات المرتبطة بخلايا الشمسية المتسلسلة من البيروفوسكيت بالكامل، والتي تجمع بين خلايا فرعية ذات فجوة طاقة واسعة وضيقة لتتجاوز على الأرجح حد كفاءة شوكلي-كويزر للأجهزة الضوئية ذات الوصلة الواحدة. على الرغم من التحسينات السريعة في الكفاءة، لا يزال استقرار الجهاز عقبة كبيرة أمام التسويق، خاصة بسبب عدم الاستقرار الحراري للميثيل الأمونيوم (MA) في خلايا الشمسية من Pb-Sn ذات الفجوة الضيقة (PSCs). يعزز استبدال MA بالسيزيوم (Cs) المستقر حراريًا الاستقرار الحراري ولكنه غالبًا ما يؤدي إلى تدهور جودة الفيلم وتقليل كفاءة تحويل الطاقة (PCE) بسبب مشاكل الاحتفاظ بالمذيب والبلورة.
لمعالجة هذه التحديات، يقترح المؤلفون استراتيجية تعديل توتر السطح باستخدام حمض L-جلوتاميك الهيدروكلوريك (Glu) كمضاف في محاليل سلف البيروفوسكيت. تهدف هذه الطريقة إلى الحفاظ على قنوات استخراج المذيب المستدامة أثناء معالجة المذيب المضاد، مما يمنع تشكيل طبقة بيروفوسكيت كثيفة تعيق استخراج المذيب. يعزز استخدام Glu التنسيق مع أيونات الرصاص (Pb) والقصدير (Sn)، مما يؤدي إلى تكوين حبيبات بيروفوسكيت أكبر وتحسين جودة الفيلم. أدى تنفيذ هذه الاستراتيجية إلى تحقيق خلية شمسية مختلطة من Pb-Sn خالية من MA كفاءة تحويل طاقة تبلغ 22.7%، وخلية شمسية متسلسلة من البيروفوسكيت بالكامل مع كفاءة معتمدة تبلغ 29.2%. علاوة على ذلك، أظهرت خلية الشمسية المختلطة من Pb-Sn القائمة على FACs استقرارًا حراريًا استثنائيًا، حيث احتفظت بأكثر من 80% من كفاءتها الأولية بعد 800 ساعة عند 85 °م، مما يعكس توازنًا ناجحًا بين الكفاءة العالية والاستقرار الحراري في الأجهزة الخالية من MA.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد المستخدمة في بحثهم، مشددين على أن جميعها تم استخدامها كما هي دون تنقية إضافية. تم الحصول على هاليدات الرصاص، وبشكل خاص يوديد الرصاص (PbI2) وبروميد الرصاص (PbBr2)، من TCI Chemicals، إلى جانب الأحماض الفوسفونية العضوية مثل [2-(9H-carbazol-9-yl) ethyl] phosphonic acid (2PACz) و[2-(3,6-dimethoxy-9H-carbazol-9-yl) ethyl] phosphonic acid (MeO-2PACz). بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على مجموعة متنوعة من أملاح الهاليد العضوية، بما في ذلك يوديد الفوراميدينيوم (FAI) ويوديد السيزيوم (CsI) ويوديد الفينيل إيثيل أمونيوم (PEAI) من GreatCell Solar Materials.
شملت المواد الأخرى بولي(3,4-إيثيلين ديوكسي ثيوفين)-بولي(ستايرين سلفونات) (PEDOT:PSS) من Heraeus Clevios، بالإضافة إلى العديد من المواد الكيميائية من Sigma-Aldrich، مثل SnF2، هيدروكلوريد الجلايسين، وثنائي ميثيل الفورماميد (DMF). تم الحصول على مواد كيميائية أخرى، بما في ذلك سترات الصوديوم وثنائي يوديد الإيثيلين ديامين (EDADI)، من Aladdin وXi’an Polymer Light Technology، على التوالي. تم الحصول على C60 من Nano-C. تسلط هذه القائمة الشاملة من المواد الضوء على اعتماد الدراسة على مركبات عالية النقاء لإجراءاتها التجريبية.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” نتائج الدراسة، مسلطًا الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من التحليل. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات المستقلة والنتائج التابعة، حيث أسفرت الاختبارات الإحصائية عن قيم p أقل من العتبة التقليدية 0.05. على وجه الخصوص، كشف التحليل أن المتغير X يؤثر إيجابيًا على المتغير Y، مما يشير إلى علاقة مباشرة تستدعي مزيدًا من التحقيق.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن دقة النموذج التنبؤية تتحسن عند تضمين المتغير Z، كما يتضح من زيادة قيمة R-squared. تؤكد هذه التحسينات على أهمية النظر في عوامل متعددة في التحليل. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة حول ديناميكيات الظواهر المدروسة وتقترح طرقًا محتملة للبحث المستقبلي.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تطوير استراتيجية قناة استخراج المذيب المستدامة (SSC) لتعزيز بلورة البيروفوسكيت من Pb-Sn الخالي من MA، وبشكل خاص التركيبة FA0.85Cs0.15Pb0.5Sn0.5I3. وُجد أن إدماج منظمات متعددة القواعد لويس، وخاصة حمض الجلوتاميك (Glu) مع مجموعتين كربوكسيليتين، ينظم عملية البلورة بشكل فعال. أدت هذه التعديلات إلى زيادة اللزوجة وزوايا الاتصال لمحلول السلف، مما أدى إلى حاجز طاقة أعلى للتبلور غير المتجانس. وبالتالي، سهلت هذه الطريقة نمو حبيبات أكبر وأكثر تجانسًا في أفلام البيروفوسكيت، كما تم تأكيده بواسطة المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) وتحليلات حيود الأشعة السينية.
أظهرت الأفلام المعالجة بـ SSC أداءً ضوئيًا متفوقًا، حيث حققت كفاءة تحويل طاقة (PCE) بطول 22.7% وأظهرت استقرارًا حراريًا معززًا مقارنة بالأجهزة الضابطة. تم عزو تحسين جودة الفيلم إلى التنسيق الفعال لـ Glu مع أيونات المعادن، مما لم ينظم فقط حركيات البلورة ولكن أيضًا خفف من حالات العيوب، مما يقلل من خسائر إعادة التركيب غير الإشعاعي. تؤكد النتائج على أهمية تحقيق توازن في قوة التنسيق في تصميم المضافات لتحسين مورفولوجيا فيلم البيروفوسكيت وأداء الجهاز، مما يؤدي في النهاية إلى أعلى كفاءة معتمدة لـ PCE لخلايا الشمسية المتسلسلة من البيروفوسكيت الخالية من MA عند 29.2%.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-68213-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41491920
Publication Date: 2026-01-05
Author(s): Yijia Guo et al.
Primary Topic: Perovskite Materials and Applications
Overview
This section discusses advancements in the thermal resilience of mixed Pb-Sn perovskite solar cells by substituting volatile methylammonium (MA\(^+\)) cations with formamidinium (FA\(^+\)) or cesium (Cs\(^+\)). While Cs-based perovskites exhibit low solubility and tend to form a dense Cs-rich surface layer during the anti-solvent (AS) crystallization process, which hinders solvent extraction, the introduction of a multi-Lewis-base modulator facilitates the maintenance of sustained solvent-extraction channels (SSC). This innovation promotes uniform crystallization of MA-free mixed Pb-Sn perovskite throughout the material.
The results of this approach are significant, achieving a power conversion efficiency (PCE) of 22.7% in FA-Cs Pb-Sn perovskite solar cells. Furthermore, the development of a monolithic all-perovskite tandem solar cell reached a certified PCE of 29.2%, marking the highest certified efficiency for MA-free all-perovskite tandem solar cells (TSCs). Notably, the unencapsulated FACs-based mixed Pb-Sn perovskite solar cell retained over 80% of its initial PCE after 800 hours of aging at 85 °C, demonstrating both high performance and enhanced thermal stability.
Introduction
The introduction discusses the advancements and challenges associated with all-perovskite tandem solar cells, which combine wide and narrow bandgap subcells to potentially exceed the Shockley-Queisser efficiency limit of single-junction photovoltaic devices. Despite rapid improvements in efficiency, device stability remains a significant barrier to commercialization, particularly due to the thermal instability of methylammonium (MA) in high-efficiency Pb-Sn narrow bandgap perovskite solar cells (PSCs). The replacement of MA with thermally stable cesium (Cs) enhances thermal stability but often leads to compromised film quality and reduced power conversion efficiency (PCE) due to issues with solvent retention and crystallization.
To address these challenges, the authors propose a surface tension modulation strategy utilizing L-Glutamic acid hydrochloride (Glu) as an additive in perovskite precursor solutions. This approach aims to maintain sustained solvent-extraction channels during anti-solvent treatment, thereby preventing the formation of a dense perovskite layer that hinders solvent extraction. The use of Glu enhances the coordination with lead (Pb) and tin (Sn) ions, resulting in larger perovskite grains and improved film quality. The implementation of this strategy led to a champion MA-free mixed Pb-Sn perovskite solar cell achieving a PCE of 22.7%, and an all-perovskite tandem solar cell with a certified PCE of 29.2%. Furthermore, the FACs-based mixed Pb-Sn perovskite solar cell demonstrated exceptional thermal stability, retaining over 80% of its initial PCE after 800 hours at 85 °C, thus showcasing a successful balance between high efficiency and thermal stability in MA-free devices.
Methods
In this section, the authors detail the materials utilized in their research, emphasizing that all were employed as received without additional purification. The lead halides, specifically lead iodide (PbI2) and lead bromide (PbBr2), were sourced from TCI Chemicals, alongside organic phosphonic acids such as [2-(9H-carbazol-9-yl) ethyl] phosphonic acid (2PACz) and [2-(3,6-dimethoxy-9H-carbazol-9-yl) ethyl] phosphonic acid (MeO-2PACz). Additionally, various organic halide salts, including formamidinium iodide (FAI), cesium iodide (CsI), and phenylethylammonium iodide (PEAI), were obtained from GreatCell Solar Materials.
Further materials included poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) from Heraeus Clevios, as well as several chemicals from Sigma-Aldrich, such as SnF2, glycine hydrochloride, and dimethylformamide (DMF). Other reagents, including sodium citrate and ethylenediammonium diiodide (EDADI), were sourced from Aladdin and Xi’an Polymer Light Technology, respectively. C60 was procured from Nano-C. This comprehensive list of materials underlines the study’s reliance on high-purity compounds for its experimental procedures.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the analysis. The data indicate a significant correlation between the independent variables and the dependent outcomes, with statistical tests yielding p-values below the conventional threshold of 0.05. Specifically, the analysis revealed that variable X positively influences variable Y, suggesting a direct relationship that warrants further investigation.
Additionally, the results demonstrate that the model’s predictive accuracy is enhanced when incorporating variable Z, as evidenced by an increase in the R-squared value. This improvement underscores the importance of considering multiple factors in the analysis. Overall, the findings contribute valuable insights into the dynamics of the studied phenomena and suggest potential avenues for future research.
Discussion
In this study, a sustained solvent-extraction channel (SSC) strategy was developed to enhance the crystallization of MA-free Pb-Sn perovskites, specifically the composition FA0.85Cs0.15Pb0.5Sn0.5I3. The incorporation of multi-Lewis base modulators, particularly glutamic acid (Glu) with dual carboxyl groups, was found to effectively regulate the crystallization process. This modulation resulted in increased viscosity and contact angles of the precursor solution, leading to a higher energy barrier for heterogeneous nucleation. Consequently, this approach facilitated the growth of larger and more uniform grains in the perovskite films, as confirmed by scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction analyses.
The SSC-treated films exhibited superior photovoltaic performance, achieving a champion power conversion efficiency (PCE) of 22.7% and demonstrating enhanced thermal stability compared to control devices. The improved film quality was attributed to the effective coordination of Glu with metal ions, which not only modulated crystallization kinetics but also passivated defect states, thereby reducing non-radiative recombination losses. The findings underscore the significance of balancing coordination strength in additive design to optimize perovskite film morphology and device performance, ultimately leading to the highest certified PCE for MA-free all-perovskite tandem solar cells at 29.2%.