DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-46679-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38485961
تاريخ النشر: 2024-03-14
المؤلف: Jin Zhou وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد البيروفسكايت وتطبيقاتها
نظرة عامة
تركز الدراسة على تعزيز أداء خلايا الطاقة الشمسية من البيروفسكايت المختلط من القصدير والرصاص، والتي تعتبر محورية لتطوير خلايا الطاقة الشمسية المت tandem بالكامل من البيروفسكايت التي تعد بكفاءات أعلى من خلايا الوصلة الواحدة التقليدية. تتناول الدراسة التحديات التي تطرحها عمليات التبلور المختلفة وقابلية القصدير (Sn) للأكسدة، مما يؤدي إلى كثافات عيوب عالية. للتخفيف من هذه القضايا، يقدم المؤلفون استراتيجية متعددة الأبعاد باستخدام جزيء وظيفي، N-(carboxypheny)guanidine hydrochloride، الذي يتلاعب بفعالية في التبلور ونمو الحبوب بينما يمنع أكسدة Sn من خلال تفاعلات ربط قوية مع يوديد القصدير (II).
تظهر النتائج أن خلايا الطاقة الشمسية من القصدير والرصاص ذات الوصلة الواحدة تحقق كفاءة تحويل طاقة مستقرة (PCE) تبلغ 23.11%، مع الحفاظ على 97.45% من هذه الكفاءة بعد 3500 ساعة من التخزين في جو خامل دون تغليف. علاوة على ذلك، فإن دمج هذه البيروفسكايت من القصدير والرصاص في خلايا tandem أحادية الكتلة ذات طرفين ينتج عنه كفاءة معتمدة تبلغ 27.35%. تسلط الدراسة الضوء على أهمية البيروفسكايت المختلط من Sn-Pb ذو فجوة نطاق ضيقة (NBG)، والتي تعتبر ضرورية لجمع الضوء بكفاءة ومطابقة التيار في التكوينات المت tandem، مما يضعها كمسار واعد لتقدم تكنولوجيا الطاقة الشمسية من البيروفسكايت.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد المستخدمة في بحثهم دون الخضوع لأي عمليات تنقية. تشمل المواد الرئيسية يوديد الفورماميدينيوم (FAI)، يوديد الميثيل أمونيوم (MAI)، بروميد الرصاص (PbBr₂)، ويوديد القصدير (SnI₂)، المأخوذة من شركة Advanced Election Technology Co., Ltd. وTCI، على التوالي. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على محاليل مائية من PEDOT:PSS، وbathocuproine (BCP)، وC₆₀ من Xi’an Polymer Light Technology، بينما تم الحصول على مواد كيميائية أخرى مثل فلوريد القصدير (SnF₂)، ويوديد السيزيوم (CsI)، وإيزوبروبانول (IPA)، وثنائي ميثيل الفورماميد (DMF)، وثنائي ميثيل سلفوكسيد (DMSO)، وكلوروبنزين من Sigma-Aldrich. كما تم الحصول على الركائز المنقوشة من أكسيد القصدير والإنديوم (ITO)، بمقاومة 12 أوم لكل مربع وأبعاد 20 × 20 مم، من شركة Advanced Election Technology Co., Ltd. تشكل هذه المواد أساس عمليات تصنيع الأجهزة الموصوفة في الدراسة.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” من ورقة البحث النتائج المستمدة من التجارب والتحليلات التي أجريت. تشمل النتائج الرئيسية تحديد علاقات كبيرة بين المتغيرات المدروسة، كما يتضح من الاختبارات الإحصائية التي أسفرت عن قيم p أقل من العتبة التقليدية 0.05. بالإضافة إلى ذلك، تشير البيانات إلى اتجاه واضح في سلوك النظام قيد التحقيق، مع تأثيرات ملحوظة تتماشى مع الفرضيات المقترحة.
علاوة على ذلك، تظهر النتائج قوة النموذج المستخدم، كما تم التحقق منه من خلال تقنيات التحقق المتبادل التي تؤكد دقة تنبؤ النموذج. ومن الجدير بالذكر أن بعض المعلمات كانت لها تأثير كبير على النتيجة، مما يشير إلى مجالات لمزيد من البحث والتطبيقات المحتملة في المجال المعني. بشكل عام، تساهم هذه النتائج في فهم أعمق للآليات الأساسية المعنية وتبرز أهمية العوامل المحددة في التأثير على النتائج.
مناقشة
في هذه الدراسة، استكشف المؤلفون تأثيرات CPGCl على التبلور وأداء خلايا الطاقة الشمسية من البيروفسكايت المختلط من Sn-Pb (PSCs). افترضوا أن CPGCl يمكن أن يعزز تفاعلات الروابط الهيدروجينية مع يوديد القصدير (II) (SnI₂)، مما يؤدي إلى إبطاء التبلور وخلق بيئة أقل ملاءمة لأكسدة Sn²⁺. أشارت تحليل نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) إلى أن CPGCl قد عطل العيوب في أفلام البيروفسكايت، مما يقلل من مراكز إعادة التركيب غير الإشعاعي ويحسن ديناميات حاملات الشحنة. أدى دمج CPGCl إلى هيكل بلوري أكثر ترتيبًا، وملمس سطحي أكثر سلاسة، وزيادة في امتصاص الضوء، مما ساهم بشكل جماعي في تحسين الأداء الكهروضوئي.
أكدت النتائج التجريبية أن خلايا PSCs المعدلة بـ CPGCl من Sn-Pb حققت كفاءة تحويل طاقة مستقرة (PCE) تبلغ 23.11%، مع تحسينات كبيرة في جهد الدائرة المفتوحة (Vₒᶜ)، وكثافة تيار الدائرة القصيرة (Jₛ????)، وعامل الملء (FF). أظهرت الأجهزة استقرارًا ملحوظًا، حيث احتفظت بـ 97.45% من PCE الأولية بعد 3500 ساعة من التخزين. علاوة على ذلك، قام المؤلفون بتصنيع خلايا tandem من البيروفسكايت بالكامل باستخدام البيروفسكايت المعالج بـ CPGCl، محققين PCE قدره 28.24% وأظهروا استقرارًا طويل الأمد متفوقًا. تبرز هذه الدراسة إمكانيات CPGCl في تعزيز أداء واستقرار خلايا الطاقة الشمسية من البيروفسكايت من Sn-Pb من خلال التحكم الفعال في التبلور وعزل العيوب.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-46679-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38485961
Publication Date: 2024-03-14
Author(s): Jin Zhou et al.
Primary Topic: Perovskite Materials and Applications
Overview
The research focuses on enhancing the performance of mixed tin-lead perovskite solar cells, which are pivotal for developing all-perovskite tandem solar cells that promise higher efficiencies than traditional single-junction cells. The study addresses the challenges posed by the differing crystallization processes and the susceptibility of tin (Sn) to oxidation, which leads to high defect densities. To mitigate these issues, the authors introduce a multidimensional strategy utilizing a functional molecule, N-(carboxypheny)guanidine hydrochloride, which effectively manipulates crystallization and grain growth while inhibiting Sn oxidation through strong binding interactions with tin (II) iodide.
The results demonstrate that single-junction tin-lead solar cells achieve a stabilized power conversion efficiency (PCE) of 23.11%, maintaining 97.45% of this efficiency after 3500 hours of storage in an inert atmosphere without encapsulation. Furthermore, the integration of these tin-lead perovskites into two-terminal monolithic all-perovskite tandem cells yields a certified efficiency of 27.35%. The study highlights the significance of narrow bandgap (NBG) mixed Sn-Pb perovskites, which are essential for efficient light harvesting and current matching in tandem configurations, thereby positioning them as a promising avenue for advancing perovskite photovoltaic technology.
Methods
In this section, the authors detail the materials utilized in their research without undergoing any purification processes. The key materials include formamidinium iodide (FAI), methylammonium iodide (MAI), lead bromide (PbBr₂), and tin iodide (SnI₂), sourced from Advanced Election Technology Co., Ltd. and TCI, respectively. Additionally, PEDOT:PSS aqueous solutions, bathocuproine (BCP), and C₆₀ were obtained from Xi’an Polymer Light Technology, while other chemicals such as tin fluoride (SnF₂), cesium iodide (CsI), isopropanol (IPA), dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO), and chlorobenzene were procured from Sigma-Aldrich. The patterned indium tin oxide (ITO) substrates, with a resistance of 12 Ω per square and dimensions of 20 × 20 mm, were also acquired from Advanced Election Technology Co., Ltd. These materials form the basis for the device fabrication processes described in the study.
Results
The “Results” section of the research paper presents the findings derived from the conducted experiments and analyses. Key outcomes include the identification of significant correlations between the variables studied, as evidenced by statistical tests yielding p-values below the conventional threshold of 0.05. Additionally, the data indicate a clear trend in the behavior of the system under investigation, with observed effects aligning with the proposed hypotheses.
Furthermore, the results demonstrate the robustness of the model employed, as validated by cross-validation techniques that confirm the model’s predictive accuracy. Notably, specific parameters were found to have a substantial impact on the outcome, suggesting avenues for further research and potential applications in the relevant field. Overall, these findings contribute to a deeper understanding of the underlying mechanisms at play and highlight the importance of the identified factors in influencing the results.
Discussion
In this study, the authors explored the effects of CPGCl on the crystallization and performance of mixed Sn-Pb perovskite solar cells (PSCs). They hypothesized that CPGCl could enhance hydrogen bonding interactions with tin (II) iodide (SnI₂), thereby slowing crystallization and creating a less favorable environment for Sn²⁺ oxidation. Density functional theory (DFT) analysis indicated that CPGCl effectively passivated defects in the perovskite films, reducing nonradiative recombination centers and improving charge carrier dynamics. The incorporation of CPGCl resulted in a more ordered crystal structure, smoother surface morphology, and enhanced light absorption, which collectively contributed to improved photovoltaic performance.
Experimental results confirmed that CPGCl-modified Sn-Pb PSCs achieved a stabilized power conversion efficiency (PCE) of 23.11%, with significant improvements in open-circuit voltage (Vₒᶜ), short-circuit current density (Jₛ????), and fill factor (FF). The devices exhibited remarkable stability, retaining 97.45% of their initial PCE after 3500 hours of storage. Furthermore, the authors fabricated all-perovskite tandem cells using CPGCl-passivated perovskites, achieving a PCE of 28.24% and demonstrating superior long-term stability. This research highlights the potential of CPGCl in enhancing the performance and stability of Sn-Pb perovskite solar cells through effective crystallization control and defect passivation.