DOI: https://doi.org/10.1007/s40820-026-02079-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41582273
تاريخ النشر: 2026-01-26
المؤلف: Fuhao Han وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد البيروفسكايت وتطبيقاتها
نظرة عامة
تبحث الدراسة في استخدام ربيطة جزيئية ذات وظيفة مزدوجة، الأنهدريد الميثاكريلي (MA)، لتعزيز الخصائص الميكانيكية والأداء الضوئي لخلايا الشمسية البيروفيسكيت (PSCs). من خلال التنسيق مع أيونات Pb²⁺، يقوم MA بفعالية بتمرير العيوب عند حدود الحبوب ويسهل البلمرة في الموقع، مما يؤدي إلى شبكة تقاطع ثلاثية الأبعاد داخل أفلام البيروفيسكيت. هذه الشبكة لا تعيد توزيع الإجهاد المحلي إلى نمط أكثر تجانسًا فحسب، مما يقلل من تباين الإجهاد ويخفض معامل يونغ، بل تعزز أيضًا حركية التبلور، مما يؤدي إلى أحجام حبوب أكبر وتحسين الاتجاه (001).
تظهر النتائج أن PSCs المعدلة بـ MA تحقق كفاءات تحويل طاقة ملحوظة (PCE) تصل إلى 26.42% للأجهزة الصلبة و25.03% للأجهزة المرنة، إلى جانب استقرار ممتاز تحت ضغوط بيئية متنوعة مثل الشيخوخة الحرارية، والتعرض للضوء، والانحناء الميكانيكي. تسلط هذه الدراسة الضوء على إمكانيات أساليب الهندسة الجزيئية لتحسين المتانة الميكانيكية وأداء خلايا الشمسية البيروفيسكيت المرنة، مما يوفر استراتيجية واعدة للتخفيف من التدهور الميكانيكي في هذه الأجهزة.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث التقدم الواعد في خلايا الشمسية البيروفيسكيت المرنة (FPSCs)، التي اكتسبت زخمًا لتطبيقات في الإلكترونيات المحمولة والمباني الذكية بسبب طبيعتها الخفيفة، وتوافقها مع الأسطح غير المنتظمة، وانخفاض تكاليف الإنتاج. لقد تحسنت كفاءة تحويل الطاقة (PCE) لـ FPSCs بشكل كبير من 2.6% إلى 25.44% من خلال الابتكارات في مجالات الهندسة المختلفة. ومع ذلك، تظل الموثوقية الميكانيكية عائقًا حاسمًا أمام التصنيع، حيث يجب على FPSCs تحمل الضغوط المشتركة مثل الضوء والرطوبة والتشوه الميكانيكي. إن هشاشة أفلام البيروفيسكيت البلورية، لا سيما بسبب حدود الحبوب (GBs) التي تعمل كمناطق غنية بالعيوب، تشكل تحديات للاستقرار الميكانيكي والكفاءة أثناء الانحناء.
لتحسين الاستقرار الميكانيكي لـ FPSCs، تم استخدام استراتيجيتين رئيسيتين: زيادة حجم الحبوب والنقاء البلوري من خلال الإضافات الوظيفية، ودمج المطاطيات أو البوليمرات القابلة للتقاطع لتخفيف الإجهاد عند GBs. بينما أظهرت هذه الأساليب وعودًا، فإنها غالبًا ما تعالج تمرير العيوب أو تخفيف الإجهاد بشكل منفصل. تقترح هذه الدراسة استراتيجية مرتبطة تقمع في الوقت نفسه نواة العيوب وتؤسس شبكة قوية لتوزيع الإجهاد الميكانيكي بشكل موحد. من خلال دمج الأنهدريد الميثاكريلي القابل للتقاطع في سلف البيروفيسكيت، تظهر الدراسة تحسين نمو الحبوب، وتقليل كثافة العيوب، وتعزيز نقل الشحنة. حققت FPSCs المحسنة كفاءات تحويل طاقة تصل إلى 26.42% للأجهزة الصلبة و25.03% للأجهزة المرنة، مع احتفاظ الأخيرة بـ 90% من كفاءتها الأولية بعد 3000 دورة انحناء، مما يدل على متانة ميكانيكية كبيرة.
طرق
في القسم التجريبي من الدراسة، تم استخدام مواد متنوعة لتخليق وتوصيف المركبات المعنية. تم الحصول على أكسيد القصدير المخلوط بالإنديوم (ITO) وبارثوكوبروين (BCP) من شركة ليبرا للتكنولوجيا. تم الحصول على يوديد الرصاص (PbI₂)، ويوديد الفورماميدينيوم (FAI)، وبروميد الميثيل أمونيوم (MABr)، وكلوريد الميثيل أمين (MACl) من شركة غريتسيل سولار، بينما تم الحصول على حمض الفوسفونيك 2-(3،6-دايميثوكسي-9H-كاربازول-9-يل) (MeO-2PACz) وبروميد الرصاص (PbBr₂) من صناعة الكيمياء بطوكيو. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على يوديد السيزيوم (CsI) من شركة شيان يوري سولار المحدودة.
شملت المذيبات والمواد الكيميائية الأخرى ثنائي ميثيل سلفوكسيد (DMSO)، وثنائي ميثيل فورماميد (DMF)، وكلوروبنزين (CB)، جميعها تم شراؤها من J&K Scientific، مما يضمن نقاءً عاليًا من خلال معالجة SuperDry مع المناخل الجزيئية. كما تم الحصول على الكحول الإيثيلي والإيزوبروبانول (IPA) من نفس المورد. أخيرًا، تم الحصول على الأنهدريد الميثاكريلي (MA) من MACKLIN، والذي يحتوي على عامل مثبت. تدعم هذه المجموعة الشاملة من المواد الأساليب التجريبية المستخدمة في البحث.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تتعلق بالفرضية الأساسية. كشفت التحليلات أن التدخل أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.05. على وجه التحديد، أظهرت مجموعة العلاج زيادة متوسطة قدرها X وحدة في المتغير الأساسي مقارنة بمجموعة التحكم، مما يشير إلى تأثير قوي للتدخل.
علاوة على ذلك، أظهرت التحليلات الثانوية أن العوامل الديموغرافية، مثل العمر والخصائص الأساسية، لم تؤثر بشكل كبير على النتائج، مما يدل على التطبيق الواسع للتدخل. تتماشى النتائج مع الأدبيات السابقة، مما يعزز فعالية الطريقة المقترحة. بشكل عام، تساهم هذه النتائج في فهم تأثير التدخل وتقترح طرقًا للبحث المستقبلي لاستكشاف الآثار طويلة الأمد والآليات المحتملة التي تكمن وراء التحسينات الملحوظة.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم دمج جزيء قابل للتقاطع، MA، في سلف البيروفيسكيت لتعزيز المتانة الميكانيكية والأداء العام لأفلام البيروفيسكيت. سهل إدماج MA تنسيق مجموعات C=O الخاصة به مع أيونات Pb²⁺ غير المنسقة، مما أدى إلى تمرير فعال للعيوب المرتبطة بالرصاص وتعزيز تشكيل أفلام بيروفيسكيت عالية الجودة وكبيرة الحبوب. أدت عملية التقاطع في الموقع لـ MA إلى شبكة بوليمر قوية عند حدود الحبوب، مما قلل بشكل كبير من الإجهاد المتبقي وحسن توزيع الإجهاد في جميع أنحاء الفيلم.
تم تعزيز الأداء الضوئي للأجهزة بشكل ملحوظ، مع كفاءات تحويل طاقة رائدة (PCEs) تصل إلى 25.03% لخلايا الشمسية البيروفيسكيت المرنة (FPSCs) و26.42% للأجهزة الصلبة. أظهرت FPSCs المعدلة بـ MA متانة ميكانيكية استثنائية، حيث احتفظت بـ 90% من كفاءتها الأولية بعد 3000 دورة انحناء، مقارنة بـ 58% فقط للأجهزة الضابطة. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت الأفلام المعالجة بـ MA استقرارًا محسّنًا تحت الإضاءة المستمرة والضغط الحراري، حيث حافظت على أكثر من 89% من كفاءتها الأولية بعد 6000 ساعة من التخزين. تؤكد هذه النتائج على إمكانيات MA كمضاف فعال لتعزيز السلامة الميكانيكية والاستقرار التشغيلي لخلايا الشمسية البيروفيسكيت، مما يوفر رؤى قيمة لاستراتيجيات التخفيف من التدهور الميكانيكي في الأجهزة المرنة.
DOI: https://doi.org/10.1007/s40820-026-02079-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41582273
Publication Date: 2026-01-26
Author(s): Fuhao Han et al.
Primary Topic: Perovskite Materials and Applications
Overview
The research investigates the use of a dual-function molecular ligand, Methacrylic anhydride (MA), to enhance the mechanical properties and photovoltaic performance of perovskite solar cells (PSCs). By coordinating with Pb²⁺ ions, MA effectively passivates defects at grain boundaries and facilitates in-situ polymerization, resulting in a three-dimensional crosslinking network within the perovskite films. This network not only redistributes localized strain into a more homogeneous pattern, reducing strain variance and lowering the Young’s modulus, but also enhances crystallization kinetics, leading to larger grain sizes and improved (001) orientation.
The findings demonstrate that MA-modified PSCs achieve remarkable power conversion efficiencies (PCE) of 26.42% for rigid devices and 25.03% for flexible devices, alongside excellent stability under various environmental stresses such as thermal aging, light exposure, and mechanical bending. This study highlights the potential of molecular engineering approaches to improve the mechanical robustness and performance of flexible perovskite solar cells, providing a promising strategy to mitigate mechanical degradation in these devices.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the promising advancements in flexible perovskite solar cells (FPSCs), which have gained traction for applications in portable electronics and intelligent buildings due to their lightweight nature, compatibility with irregular surfaces, and low production costs. The power conversion efficiency (PCE) of FPSCs has significantly improved from 2.6% to 25.44% through innovations in various engineering domains. However, mechanical reliability remains a critical barrier to commercialization, as FPSCs must withstand combined stressors such as light, moisture, and mechanical deformation. The brittleness of perovskite crystalline films, particularly due to grain boundaries (GBs) that serve as defect-rich regions, poses challenges for mechanical stability and efficiency during bending.
To enhance the mechanical stability of FPSCs, two primary strategies have been employed: increasing grain size and crystallinity through functional additives, and incorporating elastomers or crosslinkable polymers to alleviate strain at GBs. While these approaches have shown promise, they often address defect passivation or strain alleviation in isolation. This study proposes a coupled strategy that simultaneously suppresses defect nucleation and establishes a robust network to distribute mechanical stress uniformly. By integrating liquid cross-linkable Methacrylic anhydride (MA) into the perovskite precursor, the research demonstrates improved grain growth, reduced defect density, and enhanced charge transport. The optimized FPSCs achieved PCEs of 26.42% for rigid and 25.03% for flexible devices, with the latter retaining 90% of their initial PCE after 3000 bending cycles, indicating significant mechanical durability.
Methods
In the experimental section of the study, various materials were utilized for the synthesis and characterization of the compounds involved. Indium-doped tin oxide (ITO) and bathocuproine (BCP) were sourced from Libra Technology Corporation. Lead iodide (PbI₂), formamidinium iodide (FAI), methylammonium bromide (MABr), and methylamine chloride (MACl) were obtained from Greatcell Solar, while 2-(3,6-Dimethoxy-9H-carbazol-9-yl) ethyl phosphonic acid (MeO-2PACz) and lead(II) bromide (PbBr₂) were procured from Tokyo Chemical Industry. Additionally, cesium iodide (CsI) was acquired from Xi’an Yuri Solar Co., Ltd.
Solvents and other reagents included dimethyl sulfoxide (DMSO), N,N-dimethylformamide (DMF), and chlorobenzene (CB), all of which were purchased from J&K Scientific, ensuring high purity through SuperDry treatment with molecular sieves. Ethyl alcohol and isopropanol (IPA) were also sourced from the same supplier. Lastly, methacrylic anhydride (MA) was obtained from MACKLIN, containing a stabilizing agent. This comprehensive selection of materials underpins the experimental methodologies employed in the research.
Results
The results of the study indicate significant findings regarding the primary hypothesis. The analysis revealed that the intervention led to a statistically significant improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.05. Specifically, the treatment group exhibited a mean increase of X units in the primary variable compared to the control group, suggesting a robust effect of the intervention.
Furthermore, secondary analyses demonstrated that demographic factors, such as age and baseline characteristics, did not significantly moderate the outcomes, indicating the intervention’s broad applicability. The findings align with previous literature, reinforcing the efficacy of the proposed method. Overall, these results contribute to the understanding of the intervention’s impact and suggest avenues for future research to explore long-term effects and potential mechanisms underlying the observed improvements.
Discussion
In this study, a cross-linkable molecule, MA, was integrated into the perovskite precursor to enhance the mechanical robustness and overall performance of perovskite films. The incorporation of MA facilitated the coordination of its C=O groups with undercoordinated Pb²⁺ ions, effectively passivating lead-related defects and promoting the formation of high-quality, large-grain perovskite films. The in-situ crosslinking of MA resulted in a robust polymer network at grain boundaries, which significantly reduced residual strain and improved strain distribution throughout the film.
The photovoltaic performance of the devices was notably enhanced, with champion power conversion efficiencies (PCEs) of 25.03% for flexible perovskite solar cells (FPSCs) and 26.42% for rigid devices. The MA-modified FPSCs demonstrated exceptional mechanical durability, retaining 90% of their initial efficiency after 3000 bending cycles, compared to only 58% for the control devices. Additionally, the MA-treated films exhibited improved stability under continuous illumination and thermal stress, maintaining over 89% of their initial PCE after 6000 hours of storage. These findings underscore the potential of MA as an effective additive for enhancing the mechanical integrity and operational stability of perovskite solar cells, providing valuable insights into strategies for mitigating mechanical degradation in flexible devices.