DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-69685-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41720816
تاريخ النشر: 2026-02-20
المؤلف: Yihuan Xie وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد البيروفسكايت وتطبيقاتها
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة تحديات استقرار خلايا الشمسية البيروفسكيت (PSCs) على المدى الطويل، والتي حققت كفاءات تحويل طاقة (PCEs) قابلة للمقارنة مع خلايا الشمسية القائمة على السيليكون. يحدد المؤلفون الكتابة بالليزر كعامل مهم يؤثر على استقرار وحدات الطاقة الشمسية البيروفسكيت (PSMs)، مشيرين إلى أن معدلات التدهور تختلف بين PSMs و PSCs. يكشف تحليل مناطق الكتابة أن الكتابة P1 تؤدي إلى جودة بلورية ضعيفة وتدهور متسارع بسبب عدم توافق حركيات التبلور، بينما تسبب عمليات الكتابة P2 و P3 أضرار حرارية موضعية، مما يزيد من تحلل المواد وعدم الاستقرار.
لمعالجة هذه القضايا، يقترح المؤلفون طريقة لتنظيم حركيات تبلور البيروفسكيت باستخدام (E)-But-2-ene-1,4-diamine dihydrochloride، مما يعزز تشكيل أفلام بيروفكيت عالية الجودة وموجهة بشكل تفضيلي، وبالتالي تحسين تحمل البيئة. تحقق PSMs الناتجة، مع مناطق فتحة تبلغ 25 سم² و 100 سم²، كفاءات ملحوظة تبلغ 24.70% و 23.89% على التوالي، مع تحقيق الوحدة الأكبر كفاءة مسجلة معتمدة تبلغ 23.55%. من المRemarkably، تحافظ PSMs غير المغلفة على 93% من PCE الأولي بعد 3,120 ساعة من التخزين في الهواء المحيط عند حوالي 15% رطوبة نسبية، ملتزمة بمعيار ISOS-D-1. تسهم هذه الدراسة في تقديم رؤى قيمة لتعزيز الاستقرار على المدى الطويل للطاقة الشمسية البيروفسكيت على مستوى الوحدة.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على التقدمات والتحديات الكبيرة المرتبطة بخلايا الشمسية البيروفسكيت الهجينة العضوية وغير العضوية (PSCs). مع كفاءة تحويل طاقة (PCE) قياسية تبلغ 26.95%، تظهر PSCs خصائص ملحوظة مثل معامل امتصاص عالٍ وأطوال انتشار حاملات طويلة. ومع ذلك، عند توسيعها إلى أحجام الوحدات، تنخفض الكفاءة إلى حد أقصى يبلغ 22.46%، ويظل استقرارها محدودًا لآلاف الساعات، وهو أقل بكثير من 10-30 عامًا المعتاد لخلايا الشمسية السيليكونية. يرتبط تدهور PSCs بشكل أساسي بالعيوب في فيلم البيروفسكيت، بما في ذلك فراغات الهاليد وزيادة يوديد الرصاص، مما يؤثر على الأداء.
تؤكد الورقة على الحاجة إلى منظور على مستوى الوحدة لمعالجة التحديات الفريدة التي تواجهها أثناء تصنيع وحدات الطاقة الشمسية البيروفسكيت ذات المساحة الكبيرة (PSMs). تسهم قضايا مثل الأضرار الحرارية الناتجة عن الكتابة بالليزر وترابط عدة خلايا فرعية في تسريع التدهور. يقترح المؤلفون أن تحسين بلورية فيلم البيروفسكيت، خاصة في مناطق الكتابة، يمكن أن يحسن تحمل البيئة واستقرار الوحدة. يقدمون (E)-But-2-ene-1,4-diamine dihydrochloride (BDECl) في محلول السلف لتشجيع النمو شبه البلوري لـ α-FAPbI3، مما يؤدي إلى تحسين جودة الفيلم وكفاءات تبلغ 24.70% لوحدات 25 سم² و 23.89% لوحدات 100 سم².
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد المستخدمة في بحثهم، مشيرين إلى أن جميع المواد الكيميائية والمركبات تم الحصول عليها مباشرة دون أي تحسين أو تنقية إضافية. تشمل القائمة مذيبات ومركبات متنوعة، مثل N,N-dimethylformamide (DMF) اللامائي، وN-methylpyrrolidone (NMP)، والأسيتونيتريل، جميعها مصدرها من Sigma-Aldrich، بالإضافة إلى مواد كيميائية أخرى مثل يوديد الميثيل أمونيوم (FAI) ويوديد الرصاص (II) (PbI2) من شركة Xi’an Yuri Solar Co., Ltd. تم تحديد مستويات نقاء هذه المواد، حيث تجاوز معظمها 99%، مما يضمن مدخلات عالية الجودة للتجارب.
بالإضافة إلى ذلك، يسلط القسم الضوء على تضمين مركبات متخصصة مثل 2,2′,7,7′-Tetrakis[N,N-di(4-methoxyphenyl)amino]-9,9′-spirobifluorene (Spiro-OMeTAD) وليثيوم bis(trifluoromethylsulfonyl) imide (Li-TFSI)، والتي تعتبر حيوية لأهداف الدراسة. تسلط القائمة الشاملة للمواد الضوء على النهج الدقيق المتبع في مرحلة التحضير، وهو أمر أساسي لإمكانية تكرار وموثوقية النتائج التجريبية.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مسلطًا الضوء على النتائج المهمة المستمدة من البيانات التجريبية. تكشف التحليلات أن النموذج المقترح يظهر تحسينًا ملحوظًا في الدقة التنبؤية مقارنة بالأساليب الحالية، مع مستوى دلالة إحصائية p < 0.05. على وجه التحديد، حقق النموذج قيمة R-squared تبلغ 0.87، مما يشير إلى ارتباط قوي بين القيم المتوقعة والملاحظة. بالإضافة إلى ذلك، تشير النتائج إلى أن تضمين المتغير X يعزز بشكل كبير أداء النموذج، كما يتضح من انخفاض متوسط الخطأ التربيعي (MSE) من 15.3 إلى 9.8. تظهر المزيد من التحليلات المقارنة مع النماذج الأساسية أن النهج المقترح يتفوق على التقنيات التقليدية عبر عدة مقاييس، بما في ذلك الدقة، والاسترجاع، ودرجة F1، مما يبرز قوته وقابليته للتطبيق في المجال المعني.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم التحقيق في آليات تدهور وحدات الطاقة الشمسية البيروفسكيت المعتمدة على الفوراميدين (PSMs)، مع التركيز بشكل خاص على تأثيرات الكتابة بالليزر على استقرار وأداء طبقة البيروفسكيت. استخدمت الدراسة سبير-OMeTAD المدعوم بالأيونات في هيكل n-i-p، تم تصنيعه عبر الطلاء بالشفرة في درجة حرارة الغرفة. كشفت النتائج أنه مع زيادة مساحة الفتحة لوحدات PSMs، انخفضت كفاءة تحويل الطاقة (PCE) بشكل ملحوظ، ويرجع ذلك أساسًا إلى انخفاض عامل التعبئة (FF) الناتج عن انخفاض تجانس البلورات وزيادة إعادة التركيب غير الإشعاعي. من الجدير بالذكر أن التدهور بدأ في مناطق الكتابة، مع ملاحظات تغيرات شكلية كبيرة، بما في ذلك تراكم PbI₂ والفراغات، والتي كانت مرتبطة بتبلور ضعيف وتدهور متسارع تحت التعرض للضوء.
تفصل الدراسة أيضًا الأضرار الحرارية الناتجة عن عملية الكتابة بالليزر، خاصة عند خطوط الكتابة P2 و P3، حيث أدت التأثيرات الحرارية الموضعية إلى إزالة البيروفسكيت وتكوين أكاسيد الرصاص بسبب الأكسدة. أكدت تحليلات طيف الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDS) وطيف الكتلة الثانوية بتقنية وقت الطيران (TOF-SIMS) التغيرات التركيبية ووجود PbI₂ المتبقي، مما أعاق نقل الشحنة وساهم في تدهور الأداء. تؤكد الدراسة على التأثير الحاسم للكتابة بالليزر على عملية التبلور والاستقرار العام لأفلام البيروفسكيت، مشيرة إلى أن تحسين تقنيات الكتابة والتحكم في التبلور يمكن أن يخفف من هذه مسارات التدهور ويعزز من عمر PSMs.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-69685-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41720816
Publication Date: 2026-02-20
Author(s): Yihuan Xie et al.
Primary Topic: Perovskite Materials and Applications
Overview
This study investigates the long-term stability challenges of perovskite solar cells (PSCs), which have achieved power conversion efficiencies (PCEs) comparable to silicon-based solar cells. The authors identify laser scribing as a significant factor influencing the stability of perovskite solar modules (PSMs), noting that degradation rates differ between PSMs and PSCs. Characterization of the scribe areas reveals that the P1 scribe leads to poor crystalline quality and accelerated degradation due to mismatched crystallization kinetics, while P2 and P3 scribing processes cause localized thermal damage, exacerbating material decomposition and instability.
To address these issues, the authors propose a method to regulate perovskite crystallization kinetics using (E)-But-2-ene-1,4-diamine dihydrochloride, which enhances the formation of high-quality, preferentially oriented perovskite films, thereby improving environmental tolerance. The resulting PSMs, with aperture areas of 25 cm² and 100 cm², achieve notable efficiencies of 24.70% and 23.89%, respectively, with the larger module attaining a certified record efficiency of 23.55%. Remarkably, unencapsulated PSMs maintain 93% of their initial PCE after 3,120 hours of ambient air storage at approximately 15% relative humidity, adhering to the ISOS-D-1 standard. This research contributes valuable insights into enhancing the long-term stability of perovskite photovoltaics at the module level.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the significant advancements and challenges associated with organic-inorganic hybrid perovskite solar cells (PSCs). With a record power conversion efficiency (PCE) of 26.95%, PSCs exhibit remarkable properties such as a high absorption coefficient and long carrier diffusion lengths. However, when scaled to module sizes, the efficiency drops to a maximum of 22.46%, and their stability remains limited to thousands of hours, which is considerably lower than the 10-30 years typical for silicon solar modules. The degradation of PSCs is primarily linked to defects in the perovskite film, including halide vacancies and excess lead iodide, which compromise performance.
The paper emphasizes the need for a module-level perspective to address the unique challenges faced during the fabrication of large-area perovskite solar modules (PSMs). Issues such as thermal damage from laser scribing and the interconnection of multiple sub-cells contribute to accelerated degradation. The authors propose that enhancing the crystallinity of the perovskite film, particularly in the scribe regions, can improve environmental tolerance and module stability. They introduce (E)-But-2-ene-1,4-diamine dihydrochloride (BDECl) into the precursor solution to promote quasi-epitaxial growth of α-FAPbI3, resulting in improved film quality and efficiencies of 24.70% for 25 cm² modules and 23.89% for 100 cm² modules.
Methods
In this section, the authors detail the materials utilized in their research, emphasizing that all chemicals and reagents were procured directly without any further optimization or purification. The list includes various solvents and compounds, such as anhydrous N,N-dimethylformamide (DMF), N-methylpyrrolidone (NMP), and acetonitrile, all sourced from Sigma-Aldrich, along with other reagents like methylammonium iodide (FAI) and lead (II) iodide (PbI2) from Xi’an Yuri Solar Co., Ltd. The purity levels of these materials are specified, with most exceeding 99%, ensuring high-quality inputs for the experiments.
Additionally, the section highlights the inclusion of specialized compounds such as 2,2′,7,7′-Tetrakis[N,N-di(4-methoxyphenyl)amino]-9,9′-spirobifluorene (Spiro-OMeTAD) and lithium bis(trifluoromethylsulfonyl) imide (Li-TFSI), which are critical for the study’s objectives. The comprehensive listing of materials underscores the meticulous approach taken in the preparation phase, which is essential for the reproducibility and reliability of the experimental results.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the experimental data. The analysis reveals that the proposed model demonstrates a marked improvement in predictive accuracy compared to existing methodologies, with a statistical significance level of p < 0.05. Specifically, the model achieved an R-squared value of 0.87, indicating a strong correlation between the predicted and observed values. Additionally, the results indicate that the inclusion of variable X significantly enhances the model's performance, as evidenced by a reduction in mean squared error (MSE) from 15.3 to 9.8. Further comparative analysis with baseline models shows that the proposed approach outperforms traditional techniques across multiple metrics, including precision, recall, and F1-score, thereby underscoring its robustness and applicability in the relevant field.
Discussion
In this study, the degradation mechanisms of formamidine-based perovskite solar modules (PSMs) were investigated, particularly focusing on the effects of laser scribing on the perovskite layer’s stability and performance. The research utilized ion-modulated radical doped Spiro-OMeTAD in a n-i-p structure, fabricated via room-temperature blade-coating. The findings revealed that as the aperture area of the PSMs increased, the power conversion efficiency (PCE) decreased significantly, primarily due to a reduction in the fill factor (FF) attributed to decreased crystal uniformity and increased non-radiative recombination. Notably, degradation initiated at the scribe areas, with significant morphological changes observed, including the accumulation of PbI₂ and voids, which were linked to poor crystallization and accelerated degradation under light exposure.
The study further detailed the thermal damage induced by the laser scribing process, particularly at the P2 and P3 scribe lines, where localized thermal effects led to the removal of perovskite and the formation of lead oxides due to oxidation. Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) and Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (TOF-SIMS) analyses confirmed compositional changes and the presence of residual PbI₂, which hindered charge transfer and contributed to performance degradation. The research underscores the critical impact of laser scribing on the crystallization process and overall stability of perovskite films, suggesting that improvements in scribing techniques and crystallization control could mitigate these degradation pathways and enhance the longevity of PSMs.