DOI: https://doi.org/10.1038/s41560-026-02068-9
تاريخ النشر: 2026-05-19
المؤلف: Alexander Diercks وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد البيروفسكايت وتطبيقاتها
نظرة عامة
في هذه الدراسة، يتناول المؤلفون تحدي تعزيز معدلات الترسيب في العمليات المعتمدة على الفراغ لتصنيع خلايا الطاقة الشمسية من البيروفسكايت على نطاق واسع. يقدمون عملية ترسيب مشترك خالية من المذيبات (CSS) تعتمد بالكامل على الفراغ لترسيب سريع لخلايا الطاقة الشمسية من البيروفسكايت ذات فجوة نطاق واسعة (WBG) المعتمدة على الميثيل أمونيوم (MA). تكشف الأبحاث أنه بينما يعدل نسبة اليود إلى البروم من خلال الهيكل غير العضوي، فإن ذلك غير فعال، فإن مصدرًا عضويًا مختلطًا من MAI (يوديد الميثيل أمونيوم) وMABr (بروميد الميثيل أمونيوم) بنسبة كتلة 3:1 يسهل بشكل فعال تحويل PbI₂ المتبخر إلى MAPb(I₀.₇₉Br₀.₂₁)₃، محققًا فجوة نطاق قدرها 1.64 eV.
تنتج طبقة التركيب المحسنة كفاءات تحويل الطاقة (PCEs) تصل إلى 18.5% (مستقرة عند 18.2%) للأجهزة ذات الوصلة الواحدة غير الشفافة p-i-n. علاوة على ذلك، فإن دمج الممتص WBG من البيروفسكايت في خلايا الطاقة الشمسية من البيروفسكايت/السيليكون ذات الطرفين (TSCs) يظهر خصائص ضوئية إلكترونية متسقة عبر أشكال مختلفة من خلايا السيليكون السفلية، بما في ذلك الأسطح المستوية والمزخرفة، دون الحاجة إلى تعديلات في المعلمات. تؤكد تحليلات المجهر الإلكتروني الماسح وتشتت الأشعة السينية بزاوية واسعة عند الزاوية المنخفضة على تشابه الأشكال ونمو البلورات عبر ركائز مختلفة. الكفاءة القصوى التي تم تحقيقها لخلايا TSCs من البيروفسكايت/السيليكون ذات الملمس الدقيق المعالجة بالكامل في الفراغ هي 24.3%، مما يبرز قابلية التوسع والتطبيق الصناعي لطريقة CSS لتصنيع خلايا الطاقة الشمسية بكفاءة.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام مواد متنوعة للتحقيق في خصائص خلايا الطاقة الشمسية الهجينة العضوية وغير العضوية من البيروفسكايت. تم الحصول على ركائز زجاجية مغطاة بأكسيد القصدير الإنديوم (ITO) مسبقة التشكيل من شركة Kintec، والتي تعمل كطبقة أساسية لتصنيع الأجهزة. تم الحصول على أشباه الموصلات العضوية TaTm، وهو ثنائي أمين رباعي الاستبدال، من صناعة الكيمياء في طوكيو، بينما تم الحصول على مكونات حيوية أخرى مثل CS90112، يوديد الرصاص (PbI₂)، بروميد الرصاص (PbBr₂)، ويوديد الميثيل أمونيوم (MAI) من شركة Luminescence Technology. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على بروميد الميثيل أمونيوم (MABr) من مواد Greatcell Solar، وتم الحصول على الفوليرين (C₆₀) من MBraun (Creaphys). تم شراء ثنائي يوديد الإيثيلينديامين (EDAI₂) من شركة Sigma-Aldrich، مما ساهم في التركيبة العامة للمواد الهجينة المستخدمة في التجارب.
تم اختيار هذه المواد بناءً على خصائصها المعروفة وتوافقها لتعزيز أداء خلايا الطاقة الشمسية قيد التحقيق، بهدف تحسين الكفاءة والاستقرار في الأجهزة الناتجة.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تقديم تقنية جديدة لترسيب البخار المتسلسل، وتحديدًا عملية الترسيب القريب (CSS)، لتصنيع طبقات ممتص البيروفسكايت ذات فجوة نطاق واسعة (WBG) المخصصة لخلايا الطاقة الشمسية من البيروفسكايت/السيليكون ذات الطرفين (TSCs). تبدأ العملية بالتسامي الحراري للمواد الأولية غير العضوية لإنشاء هيكل بسمك 250 نانومتر، تليها عملية CSS للكاتيونات العضوية، والتي تحدث عند ضغوط مسيطر عليها حوالي 1 مللي بار. تسمح هذه الطريقة بالتحويل في الموقع للهيكل غير العضوي إلى فيلم رقيق من البيروفسكايت متعدد البلورات، حيث تكشف الدراسة عن آلية تحويل من الأعلى إلى الأسفل حيث تتشكل طبقة البيروفسكايت على السطح وتنتشر إلى الداخل مع مرور الوقت. تسلط الأبحاث الضوء على القدرة على تعديل فجوة النطاق للبيروفسكايت الناتج من خلال تغيير نسب Pb(I:Br)₂ في الهيكل غير العضوي واستخدام مصدر عضوي مختلط من MAI:MABr، مما يؤدي إلى فجوة نطاق نهائية قدرها 1.64 eV.
أظهرت الممتصات من البيروفسكايت WBG المعالجة بطريقة CSS أداءً ضوئيًا واعدًا، محققة كفاءة تحويل طاقة قصوى (PCE) قدرها 18.5% في الأجهزة المعالجة بالكامل في الفراغ. كما تؤكد الدراسة على استقرار الأجهزة، حيث تم الاحتفاظ بأكثر من 95% من الأداء الأولي بعد اختبارات إجهاد حراري وإضاءة مكثفة. علاوة على ذلك، تم دمج تقنية CSS بنجاح في خلايا TSCs من البيروفسكايت/السيليكون الأحادية، مما يظهر أداءً قويًا عبر أشكال مختلفة من ركائز السيليكون. تشير النتائج إلى أن عملية CSS لا تسمح فقط بالإنتاج الفعال والقابل للتوسع لخلايا الطاقة الشمسية عالية الأداء من البيروفسكايت، ولكنها توفر أيضًا طريقة موثوقة لضبط تركيبة الهاليد وفجوة النطاق لممتصات البيروفسكايت، وهو أمر أساسي لتحسين تكوينات خلايا الطاقة الشمسية المتسلسلة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41560-026-02068-9
Publication Date: 2026-05-19
Author(s): Alexander Diercks et al.
Primary Topic: Perovskite Materials and Applications
Overview
In this study, the authors address the challenge of enhancing deposition rates in vacuum-based processes for the scalable fabrication of perovskite photovoltaics. They present a fully vacuum-based, solvent-free co-sublimation (CSS) process for the rapid deposition of methylammonium (MA)-based wide bandgap (WBG) perovskite solar cells (PSCs). The research reveals that while adjusting the iodine-to-bromine ratio through the inorganic scaffold is ineffective, a mixed organic source of MAI (methylammonium iodide) and MABr (methylammonium bromide) with a mass ratio of 3:1 effectively facilitates the conversion of sublimed PbI₂ into MAPb(I₀.₇₉Br₀.₂₁)₃, achieving a bandgap of 1.64 eV.
The optimized layer stack yields power conversion efficiencies (PCEs) of up to 18.5% (stabilized at 18.2%) for opaque p-i-n single-junction devices. Furthermore, the integration of the WBG perovskite absorber into two-terminal perovskite/silicon tandem solar cells (TSCs) demonstrates consistent optoelectronic properties across various silicon bottom-cell morphologies, including planar and textured surfaces, without the need for parameter adjustments. Scanning electron microscopy and grazing-incidence wide-angle X-ray scattering analyses confirm similar morphologies and crystal growth across different substrates. The champion PCE achieved for fully vacuum-processed micro-textured perovskite/silicon TSCs is 24.3%, underscoring the scalability and industrial applicability of the CSS method for efficient solar cell fabrication.
Methods
In this study, various materials were utilized to investigate the properties of organic-inorganic hybrid perovskite solar cells. Pre-patterned indium tin oxide (ITO)-coated glass substrates were sourced from Kintec Company, serving as the foundational layer for device fabrication. The organic semiconductor TaTm, a tetra-substituted diamine, was obtained from Tokyo Chemical Industry, while other critical components such as CS90112, lead iodide (PbI₂), lead bromide (PbBr₂), and methylammonium iodide (MAI) were procured from Luminescence Technology Corp. Additionally, methylammonium bromide (MABr) was acquired from Greatcell Solar Materials, and fullerene (C₆₀) was sourced from MBraun (Creaphys). Ethylenediammonium di-iodide (EDAI₂) was purchased from Sigma-Aldrich Co., contributing to the overall composition of the hybrid materials used in the experiments.
These materials were selected based on their known properties and compatibility for enhancing the performance of the solar cells under investigation, aiming to optimize efficiency and stability in the resulting devices.
Discussion
In this study, a novel sequential vapor-phase deposition technique, specifically close-space sublimation (CSS), is introduced for the fabrication of wide-bandgap (WBG) perovskite absorber layers intended for two-terminal (2T) perovskite/silicon tandem solar cells (TSCs). The process begins with the thermal sublimation of inorganic precursors to create a 250-nm-thick scaffold, followed by the CSS of organic cations, which occurs at controlled pressures around 1 mbar. This method allows for in situ conversion of the inorganic scaffold to a polycrystalline perovskite thin film, with the study revealing a top-down conversion mechanism where the perovskite layer forms at the surface and propagates inward over time. The research highlights the ability to manipulate the bandgap of the resulting perovskite by varying the Pb(I:Br)₂ ratios in the inorganic scaffold and using a mixed MAI:MABr organic source, leading to a final bandgap of 1.64 eV.
The CSS-processed WBG perovskite absorbers demonstrated promising photovoltaic performance, achieving a maximum power conversion efficiency (PCE) of 18.5% in fully vacuum-processed devices. The study also emphasizes the stability of the devices, with over 95% of initial performance retained after extensive thermal and illumination stress testing. Furthermore, the CSS technique was successfully integrated into monolithic perovskite/silicon TSCs, showcasing robust performance across various silicon substrate morphologies. The findings indicate that the CSS process not only allows for efficient and scalable production of high-performance perovskite solar cells but also provides a reliable method for tuning the halide composition and bandgap of the perovskite absorbers, essential for optimizing tandem solar cell configurations.