DOI: https://doi.org/10.1007/s40820-025-02047-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41528613
تاريخ النشر: 2026-01-13
المؤلف: Zhongquan Wan وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد البيروفسكايت وتطبيقاتها
نظرة عامة
تناقش هذه القسم القضية الحرجة لتسخين جول في خلايا الشمسية البيروفيسكايت (PSCs)، مما يؤدي إلى ارتفاع درجات الحرارة التي تؤثر بشكل كبير على استقرارها الحراري على المدى الطويل. تسرع درجات الحرارة العالية من تحلل المواد والتفاعلات السطحية، مما يشكل حاجزًا كبيرًا أمام تسويق خلايا PSCs. تسلط المراجعة الضوء على استراتيجيات إدارة الحرارة المختلفة، بما في ذلك دمج المواد الموصلية حراريًا، وطبقات التبريد الإشعاعي، والهياكل المتسلسلة، التي تكون فعالة في تخفيف تراكم الحرارة وتعزيز متانة الجهاز.
يؤكد المؤلفون على الحاجة إلى مزيد من البحث في إدارة الحرارة للتغلب على التحديات التي تطرحها عدم الاستقرار الحراري. يقترحون عدة مجالات رئيسية للاستكشاف المستقبلي: تحسين المواد الموصلية حراريًا لتحسين تبديد الحرارة، وتطوير تصاميم التبريد الإشعاعي لتنظيم درجة الحرارة بشكل سلبي، وتطوير أنظمة هجينة ضوئية-حرارية لتحسين استخدام الطاقة والاستقرار. بالإضافة إلى ذلك، تم تحديد هندسة الواجهة وتقنيات التغليف كعوامل أساسية لتقليل الضغط الحراري وتحسين الموثوقية. كما تم اقتراح دمج تقنيات التعلم الآلي كمسار واعد لتسريع اكتشاف المواد وتحسين هياكل الأجهزة، مما يعزز كفاءة ودوام خلايا PSCs ويسهل تسويقها.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الدور الحاسم للطاقة في المجتمع الحديث والتركيز العالمي المتزايد على مصادر الطاقة المتجددة بسبب تغير المناخ. من بين هذه المصادر، تبرز الطاقة الشمسية كأكثر الخيارات وفرة وصديقة للبيئة. تشير الأبحاث إلى أن استغلال 0.1% فقط من الإشعاع الشمسي بكفاءة تحويل الطاقة الضوئية (PCE) تبلغ 10% يمكن أن يلبي الطلبات العالمية على الطاقة. تهيمن خلايا الشمسية السيليكونية (Si) حاليًا على السوق بسبب كفاءتها واستقرارها؛ ومع ذلك، فإن إمكاناتها للتحسين الإضافي محدودة. بالمقابل، ظهرت خلايا الشمسية البيروفيسكايت العضوية-غير العضوية (PSCs) منذ عام 2009، حيث أظهرت تقدمًا سريعًا في PCE من 9.7% إلى أكثر من 26.7%. على الرغم من وعدها، تواجه خلايا PSCs تحديات كبيرة تتعلق بالاستقرار الحراري، مما يؤثر على موثوقيتها على المدى الطويل وقابليتها للتسويق.
تهدف المراجعة إلى معالجة الفجوة في البحث حول استراتيجيات إدارة الحرارة لخلايا PSCs، مع التركيز على آليات التحلل الحراري وتوليد الحرارة. تصنف استراتيجيات إدارة الحرارة إلى نوعين رئيسيين: تلك التي تبدد الحرارة الموجودة وتلك التي تقمع توليد الحرارة. تعتبر إدارة الحرارة الفعالة ضرورية لتعزيز استقرار وأداء خلايا PSCs، مع استراتيجيات محتملة تشمل استخدام مواد ذات موصلية حرارية عالية، وهياكل تبريد خارجية، وتصاميم مبتكرة مثل خلايا الشمسية المتسلسلة (TSCs). من خلال تلخيص المعرفة الحالية والاتجاهات المستقبلية في إدارة الحرارة بشكل منهجي، تسعى المراجعة إلى تقدم هذا المجال وتحسين آفاق تسويق تكنولوجيا PSC.
طرق
تناقش هذه القسم مواد واستراتيجيات مبتكرة تهدف إلى تعزيز إدارة الحرارة في خلايا الشمسية البيروفيسكايت (PSCs) للتخفيف من الآثار الضارة للموصلية الحرارية المنخفضة في طبقة البيروفيسكايت، والتي تبلغ حوالي 0.2 واط م\(^{-1}\) ك\(^{-1}\). قدم يانغ وآخرون نيتريد البورون السداسي (h-BN) في طبقة البيروفيسكايت، مما يخلق مسارات حرارية بشكل فعال ويحسن من تبديد الحرارة، مما يؤدي إلى تعزيز الاستقرار التشغيلي بشكل كبير. أظهرت خلايا PSCs التي تستخدم h-BN، وخاصة مع مبرد نحاسي، احتفاظًا ملحوظًا بكفاءة تحويل الطاقة (PCE) بعد فترة طويلة من الشيخوخة الحرارية. تم استكشاف مواد أخرى، مثل أنابيب الكربون متعددة الجدران (MWCNTs) والسوائل الأيونية مثل 1-بيوتيل-3-ميثيل إيميدازوليوم ديوبيوتيل فوسفات (BMDP)، أيضًا من حيث موصلية حرارتها وقدراتها على تمرير العيوب، مما يساهم بشكل أكبر في تحسين استقرار وكفاءة الجهاز.
بالإضافة إلى ذلك، تسلط هذه القسم الضوء على دمج أكاسيد المعادن، والزيوليت، والمواد العضوية كمعززات للموصلية الحرارية في طبقة نقل الثقوب (HTL) وطبقة نقل الإلكترون (ETL) في خلايا PSCs. لا تسهل هذه المواد فقط تبديد الحرارة ولكنها تعمل أيضًا كعوامل تمرير لتقليل العيوب في طبقة البيروفيسكايت. تشير النتائج إلى أن الدمج الاستراتيجي للمواد ذات الموصلية الحرارية العالية يمكن أن يعزز بشكل كبير إدارة الحرارة في خلايا PSCs، مما يحسن من كفاءتها وطول عمرها التشغيلي. يُشجع على أن تركز الأبحاث المستقبلية على تحسين التوافق وتوزيع هذه المواد داخل خلايا PSCs لتعظيم فوائدها مع تقليل أي آثار سلبية على الأداء الكهربائي.
نقاش
يسلط النقاش حول آليات التحلل الحراري لخلايا الشمسية البيروفيسكايت (PSCs) الضوء على التأثير الحاسم لدرجات الحرارة المرتفعة على استقرارها وأدائها. تواجه خلايا PSCs، وخاصة تلك التي تستخدم MAPbI₃، تحللًا كبيرًا عند تعرضها لدرجات حرارة تتجاوز 85 درجة مئوية، مما يؤدي إلى تكوين مراكز عيوب مثل PbI₂، مما يزيد من إعادة اتحاد حاملات الشحنة ويقلل من كفاءة تحويل الطاقة (PCE). تشير الدراسات إلى أن المعالجة الحرارية المطولة تؤدي إلى تحلل MAPbI₃ إلى PbI₂ وMAI، مع آثار ضارة على جهد الدائرة المفتوحة (V_oc) وأداء الجهاز بشكل عام. بالإضافة إلى ذلك، تخضع طبقات وظيفية أخرى، مثل Spiro-OMeTAD، أيضًا للتحلل الحراري، مما يهدد كفاءة خلايا PSC.
تستكشف هذه القسم أيضًا آليات توليد الحرارة داخل خلايا PSCs، والتي تنشأ من كل من العوامل البيئية الخارجية والتأثيرات التشغيلية الداخلية، بما في ذلك التسخين وتوليد جول. لا تقلل هذه المصادر الحرارية من الكفاءة فحسب، بل تهدد أيضًا الاستقرار على المدى الطويل. تعتبر استراتيجيات إدارة الحرارة الفعالة ضرورية للتخفيف من هذه القضايا، بما في ذلك تعزيز الموصلية الحرارية، ودمج الأجهزة الحرارية، واستخدام تقنيات التبريد الإشعاعي المتقدمة. تظهر التطورات الأخيرة في المواد والتصاميم، مثل استخدام بولي ديميثيل سيليكون (PDMS) للتبريد الإشعاعي، نتائج واعدة في تقليل درجات حرارة التشغيل وتحسين PCE. ومع ذلك، لا تزال هناك تحديات في ضمان الاستقرار على المدى الطويل وقابلية التوسع لهذه الحلول في إدارة الحرارة للتطبيقات العملية.
DOI: https://doi.org/10.1007/s40820-025-02047-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41528613
Publication Date: 2026-01-13
Author(s): Zhongquan Wan et al.
Primary Topic: Perovskite Materials and Applications
Overview
The section discusses the critical issue of Joule heating in perovskite solar cells (PSCs), which leads to elevated temperatures that significantly impair their long-term thermal stability. High temperatures accelerate material decomposition and interfacial reactions, presenting a substantial barrier to the commercialization of PSCs. The review highlights various thermal management strategies, including the integration of thermally conductive materials, radiative cooling layers, and tandem structures, which are effective in mitigating heat accumulation and enhancing device durability.
The authors emphasize the need for further research in thermal management to overcome the challenges posed by thermal instability. They propose several key areas for future exploration: optimizing thermally conductive materials to improve heat dissipation, advancing radiative cooling designs for passive temperature regulation, and developing hybrid photonic-thermoelectric systems for enhanced energy utilization and stability. Additionally, interface engineering and encapsulation technologies are identified as essential for reducing thermal stress and improving reliability. The integration of machine learning techniques is also suggested as a promising avenue for accelerating materials discovery and optimizing device architectures, thereby enhancing the efficiency and durability of PSCs and facilitating their commercialization.
Introduction
The introduction highlights the critical role of energy in modern society and the increasing global emphasis on renewable energy sources due to climate change. Among these, solar energy stands out as the most abundant and environmentally friendly option. Research indicates that harnessing just 0.1% of solar radiation with a photovoltaic (PV) power conversion efficiency (PCE) of 10% could meet global energy demands. Silicon (Si) solar cells currently dominate the market due to their efficiency and stability; however, their potential for further improvement is limited. In contrast, organic-inorganic perovskite solar cells (PSCs) have emerged since 2009, showing rapid advancements in PCE from 9.7% to over 26.7%. Despite their promise, PSCs face significant challenges related to thermal stability, which affects their long-term reliability and commercial viability.
The review aims to address the gap in research on thermal management strategies for PSCs, focusing on the mechanisms of thermal degradation and heat generation. It categorizes thermal management strategies into two main types: those that dissipate existing heat and those that suppress heat generation. Effective thermal management is essential for enhancing the stability and performance of PSCs, with potential strategies including the use of high thermal conductivity materials, external cooling structures, and innovative designs like tandem solar cells (TSCs). By systematically summarizing current knowledge and future directions in thermal management, the review seeks to advance the field and improve the commercialization prospects of PSC technology.
Methods
The section discusses various innovative materials and strategies aimed at enhancing thermal management in perovskite solar cells (PSCs) to mitigate the detrimental effects of low thermal conductivity in the perovskite layer, which is approximately 0.2 W m\(^{-1}\) K\(^{-1}\). Yang et al. introduced hexagonal boron nitride (h-BN) into the perovskite layer, which effectively creates thermal pathways and improves heat dissipation, leading to significantly enhanced operational stability. PSCs utilizing h-BN, particularly with a copper heat sink, demonstrated remarkable retention of power conversion efficiency (PCE) after prolonged thermal aging. Other materials, such as multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) and ionic liquids like 1-butyl-3-methylimidazolium dibutylphosphate (BMDP), were also explored for their thermal conductivity and defect passivation capabilities, further contributing to improved device stability and efficiency.
Additionally, the section highlights the integration of metal oxides, zeolites, and organic materials as thermal conductivity enhancers in the hole transport layer (HTL) and electron transport layer (ETL) of PSCs. These materials not only facilitate heat dissipation but also serve as passivating agents to reduce defects in the perovskite layer. The findings indicate that the strategic incorporation of high thermal conductivity materials can significantly enhance the thermal management of PSCs, thereby improving their efficiency and operational longevity. Future research is encouraged to focus on optimizing the compatibility and distribution of these materials within PSCs to maximize their benefits while minimizing any adverse effects on electrical performance.
Discussion
The discussion on the thermal degradation mechanisms of perovskite solar cells (PSCs) highlights the critical impact of elevated temperatures on their stability and performance. PSCs, particularly those utilizing MAPbI₃, experience significant degradation when exposed to temperatures exceeding 85 °C, leading to the formation of defect centers like PbI₂, which exacerbate charge carrier recombination and reduce power conversion efficiency (PCE). Studies indicate that prolonged heat treatment results in the decomposition of MAPbI₃ into PbI₂ and MAI, with detrimental effects on the open-circuit voltage (V_oc) and overall device performance. Additionally, other functional layers, such as Spiro-OMeTAD, also undergo thermal degradation, further compromising the PSC’s efficiency.
The section also explores the mechanisms of heat generation within PSCs, which arise from both external environmental factors and intrinsic operational effects, including thermalization and Joule heating. These heat sources not only diminish efficiency but also threaten long-term stability. Effective thermal management strategies are essential to mitigate these issues, including enhancing thermal conductivity, integrating thermoelectric devices, and employing advanced radiative cooling techniques. Recent advancements in materials and designs, such as the use of polydimethylsiloxane (PDMS) for radiative cooling, demonstrate promising results in reducing operating temperatures and improving PCE. However, challenges remain in ensuring long-term stability and scalability of these thermal management solutions for practical applications.