DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-68214-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41519891
تاريخ النشر: 2026-01-10
المؤلف: Qingyun He وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد البيروفسكايت وتطبيقاتها
نظرة عامة
تقدم البحث نهجًا جديدًا لتعزيز تبلور يوديد الرصاص الفوراميدينيوم (FAPbI3) ، وهو مادة واعدة للخلايا الشمسية عالية الكفاءة، من خلال استخدام جزيء ذاتي التجميع (SAM) في المذيب المضاد. على عكس SAMs التقليدية القائمة على الفوسفات التي تتطلب مذيبات قطبية بروتينية، يتم معالجة -SCN SAM من مذيبات غير قطبية وغير بروتينية، مما يجعلها متوافقة مع أسطح البيروفسكايت. تعمل هذه الطبقة ذاتية التجميع كقالب ديناميكي، مما يسهل عملية تبلور من الأعلى إلى الأسفل تؤدي إلى أفلام α-phase مرتبة للغاية.
تكشف القياسات المتعمقة في الموقع أن معالجة SAM تقلل بشكل فعال من المراحل الوسيطة غير المرغوب فيها، وتسارع الانتقال من المرحلة δ إلى المرحلة α، وتعدل بشكل استراتيجي نمو البلورات، مما يؤدي إلى تشكيل أفلام بيروفسكايت عالية الجودة. يحقق تنفيذ هذه الاستراتيجية الموجهة للتجميع الذاتي كفاءة تحويل طاقة (PCE) تصل إلى 26.18% (معتمدة عند 25.67%) للأجهزة ذات الوصلة الواحدة و PCE قدرها 21.70% للوحدات الصغيرة. تسلط هذه النتائج الضوء على الإمكانات الكبيرة لهذه الطريقة في إنتاج خلايا شمسية بيروفسكايت فعالة ومستقرة.
مقدمة
تناقش المقدمة إمكانات يوديد الرصاص الفوراميدينيوم (FAPbI3) كمادة لخلايا شمسية عالية الكفاءة، مع تسليط الضوء على فجوة الطاقة المثالية والثبات. ومع ذلك، فإن تطبيقها العملي يعيقه تحديات في التبلور، لا سيما الانتقال من المرحلة δ غير النشطة ضوئيًا إلى المرحلة α النشطة ضوئيًا، والذي غالبًا ما يكون غير مكتمل ويؤدي إلى كثافات عيوب عالية تؤثر على أداء الجهاز. تم استخدام استراتيجيات متنوعة للتحكم في حركيات التبلور لـ FAPbI3، بما في ذلك التلاعب بالمضافات السابقة، وتحسين أنظمة المذيبات، واستخدام تقنيات ترسيب مختلفة. على الرغم من هذه الجهود، لا يزال تحقيق التحكم الدقيق في عملية التبلور يمثل تحديًا كبيرًا، خاصة مع طريقة الخطوة الواحدة ومعالجة المذيب المضاد، والتي يمكن أن تؤدي إلى نمو بلورات غير متحكم فيه وعيوب.
يؤكد النص على أهمية الاستفادة من عملية التبلور من الأعلى إلى الأسفل للبيروفسكايت، حيث يمكن أن تعزز تعديل السطح جودة البلورات بشكل أكثر فعالية من الهندسة الإضافية التقليدية. يمكن أن يعزز هذا النهج النمو الإبيتاكسي وتشكيل مجالات بيروفسكايت ذات العيوب المنخفضة. علاوة على ذلك، ظهرت الجزيئات ذاتية التجميع (SAMs) كأداة واعدة في هندسة خلايا الطاقة الشمسية البيروفسكايت، خاصة في الأجهزة المعكوسة (p-i-n)، حيث تحسن استخراج الثقوب وتقلل من إعادة التركيب بين الواجهات. ومع ذلك، فإن تطبيقها في خلايا الطاقة الشمسية البيروفسكايت التقليدية (n-i-p) لا يزال غير مستكشف بشكل كافٍ بسبب القيود الهيكلية التي تعيق تثبيت SAM الفعال والتغطية الموحدة اللازمة للتحكم في التبلور.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد المستخدمة في تخليق مركبات مختلفة، تحديدًا Cz-SCN وCz-COOH وCz-CN وCz-NH2، التي تم الحصول عليها من Aladdin وEnergy Chemical في الصين. تم الحصول على يوديد الفوراميدينيوم (FAI) من Greatcell في أستراليا، بينما تم الحصول على مواد كيميائية أساسية أخرى، بما في ذلك كلوريد الميثيل أمونيوم (MACl) ويوديد السيزيوم (CsI) وبروميد الميثيل أمونيوم (MABr) وبروميد الرصاص (PbBr2) وSpiro-OMeTAD وليثيوم ثنائي (ثلاثي فلوروميثان سلفونيل) أميد (Li-TFSI) وFK209-Co(III)-TFSI، من Xi’an Yuri Solar Co. في الصين. تم تزويد يوديد الرصاص (PbI2) من TCI Shanghai، وتم شراء مجموعة متنوعة من المذيبات مثل N,N-dimethylformamide (DMF) وdimethyl sulfoxide (DMSO) وchlorobenzene (CB) من Thermo Fisher Scientific في الولايات المتحدة. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على كلوريد القصدير (SnCl2•2H2O) وحمض الثيوغليكوليك (TGA) واليوريا من Sigma-Aldrich، مع عرض جميع المواد الكيميائية نقاءً لا يقل عن 99%.
يعد هذا التوريد الشامل للمواد عالية النقاء أمرًا حيويًا لضمان موثوقية وقابلية إعادة إنتاج النتائج التجريبية المقدمة في الدراسة.
نتائج
تظهر النتائج أن دمج قالب الجزيء ذاتي التجميع 9-(4-thiocyanatobutyl)-9H-carbazole (Cz-SCN) يعزز بشكل كبير من تبلور وشكل أفلام البيروفسكايت. تكشف صور المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) عن انتقال من هياكل بلورية غير منتظمة في الأفلام الضابطة إلى حبيبات أحادية في الأفلام المعالجة بـ SAM، مما يؤدي إلى زيادة في متوسط حجم الحبيبات من 0.5 ميكرومتر إلى 1.3 ميكرومتر والقضاء التام على الشوائب المتبقية من PbI2. بالإضافة إلى ذلك، تشير قياسات المجهر الذري (AFM) إلى تقليل خشونة السطح من 23.9 نانومتر إلى 18.8 نانومتر، مما يسهم في شكل أكثر ترتيبًا من المتوقع أن يحسن أداء الجهاز من خلال تقليل خسائر إعادة التركيب الناتجة عن العيوب وتسهيل نقل الشحنات بكفاءة.
تؤكد قياسات انتشار الأشعة السينية بزاوية واسعة (GIWAXS) أن الأفلام المعالجة بـ SAM تظهر مرحلة α سوداء نقية دون وجود PbI2 قابل للاكتشاف، بالإضافة إلى هياكل لاميلية مميزة تشير إلى تكديس منظم لجزيئات SAM. توفر تحليلات طيف الكتلة الثانوية بتقنية وقت الطيران (ToF-SIMS) دليلًا على توزيع موحد لـ SAM في جميع أنحاء أفلام البيروفسكايت، مما يشير إلى أن SAM تتخلل الطبقة بشكل فعال أثناء تشكيل الفيلم. بينما تظهر طيف امتصاص الأشعة فوق البنفسجية-المرئية (UV-vis) عدم وجود تغيير في فجوة الطاقة لأفلام البيروفسكايت، تشير النتائج العامة إلى أن معالجة SAM تؤدي إلى تحسين البلورية والشكل، وهما أمران حاسمان لتعزيز أداء الأجهزة القائمة على البيروفسكايت.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تقديم استراتيجية جديدة من الأعلى إلى الأسفل لتعزيز التبلور المنظم لـ α-FAPbI3 في هياكل خلايا الطاقة الشمسية n-i-p من خلال دمج طبقات ذاتية التجميع (SAMs)، تحديدًا نوع Cz-SCN، في المذيب المضاد. يشكل Cz-SCN SAM قالبًا ديناميكيًا على سطح البيروفسكايت أثناء تشكيل الفيلم، مما يقلل بشكل فعال من المراحل الوسيطة غير المرغوب فيها، ويسرع الانتقال من المرحلة δ إلى المرحلة α، ويعزز التبلور الموحد. تُعزى هذه القدرة الفريدة لـ Cz-SCN إلى طاقة الامتصاص الفائقة والتفاعل القوي مع شبكة البيروفسكايت، وهو ما لا يُلاحظ مع مجموعات التثبيت الأخرى مثل -NH2 و-CN و-COOH. تظهر الأفلام الناتجة كفاءة تحويل طاقة (PCE) محسنة بشكل كبير تصل إلى 26.18% (معتمدة عند 25.67%) واستقرارًا معززًا، مما يوضح إمكانات SAMs في تحسين تبلور البيروفسكايت.
تكشف تقنيات التوصيف في الموقع، بما في ذلك GIWAXS وطيف الفلورية (PL) وطيف امتصاص الأشعة فوق البنفسجية-المرئية (UV-vis)، أن SAM تؤثر على الديناميات النووية ونمو البلورات، مما يؤدي إلى مسار تبلور أكثر تنظيمًا. تظهر الأفلام المعالجة بـ Cz-SCN انتقالًا سريعًا وكاملاً إلى المرحلة α، على عكس الأفلام الضابطة التي تظهر تحولًا غير مكتمل في المرحلة والشوائب المتبقية. تؤكد الخصائص البصرية والإلكترونية المحسنة، التي تتميز بكثافات أقل من حالات الفخ وعمر أطول لحاملات الشحن، فعالية معالجة Cz-SCN. بالإضافة إلى ذلك، تشير اختبارات الاستقرار على المدى الطويل إلى أن الأجهزة التي تستخدم Cz-SCN تحافظ على 95% من كفاءتها الأولية بعد 1500 ساعة في ظروف محيطية، متفوقة بشكل كبير على الأجهزة الضابطة. تؤكد هذه الدراسة على الدور الحاسم لتصميم الجزيئات في تحقيق خلايا شمسية بيروفسكايت عالية الأداء ومستقرة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-68214-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41519891
Publication Date: 2026-01-10
Author(s): Qingyun He et al.
Primary Topic: Perovskite Materials and Applications
Overview
The research presents a novel approach to enhance the crystallization of formamidinium lead iodide (FAPbI3) perovskite, a promising material for high-efficiency solar cells, by utilizing a self-assembled molecule (SAM) in the anti-solvent. Unlike traditional phosphate-based SAMs that require polar protic solvents, the -SCN SAM is processed from non-polar, aprotic solvents, making it compatible with perovskite surfaces. This self-assembled layer serves as a dynamic template, facilitating a top-down crystallization process that results in highly ordered α-phase films.
In-depth in-situ measurements reveal that the SAM treatment effectively suppresses unwanted intermediate phases, accelerates the transition from the δ to α phase, and strategically moderates crystal growth, leading to the formation of high-quality perovskite films. The implementation of this directed self-assembly strategy achieves a champion power conversion efficiency (PCE) of 26.18% (certified at 25.67%) for single-junction devices and a PCE of 21.70% for mini-modules. These findings highlight the significant potential of this method in producing efficient and stable n-i-p perovskite solar cells.
Introduction
The introduction discusses the potential of formamidinium lead iodide (FAPbI3) as a high-efficiency solar cell material, highlighting its ideal bandgap and stability. However, its practical application is hindered by challenges in crystallization, specifically the transition from the non-photoactive δ-phase to the photoactive α-phase, which is often incomplete and leads to high defect densities that compromise device performance. Various strategies have been employed to control the crystallization kinetics of FAPbI3, including manipulating precursor adducts, optimizing solvent systems, and employing different deposition techniques. Despite these efforts, achieving precise control over the crystallization process remains a significant challenge, particularly with the one-step method and anti-solvent treatment, which can lead to uncontrolled crystal growth and defects.
The text emphasizes the importance of leveraging the top-down crystallization process of perovskites, where surface modulation can enhance crystal quality more effectively than traditional additive engineering. This approach can promote epitaxial growth and the formation of low-defect perovskite domains. Furthermore, self-assembled molecules (SAMs) have emerged as a promising tool in perovskite solar cell engineering, particularly in inverted (p-i-n) devices, where they improve hole extraction and reduce interfacial recombination. However, their application in conventional (n-i-p) perovskite solar cells is underexplored due to structural limitations that hinder effective SAM anchoring and uniform coverage necessary for controlling crystallization.
Methods
In this section, the authors detail the materials utilized for the synthesis of various compounds, specifically Cz-SCN, Cz-COOH, Cz-CN, and Cz-NH2, which were procured from Aladdin and Energy Chemical in China. Formamidinium iodide (FAI) was sourced from Greatcell in Australia, while other essential reagents, including methylammonium chloride (MACl), cesium iodide (CsI), methylammonium bromide (MABr), lead bromide (PbBr2), Spiro-OMeTAD, lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (Li-TFSI), and FK209-Co(III)-TFSI, were obtained from Xi’an Yuri Solar Co. in China. Lead iodide (PbI2) was supplied by TCI Shanghai, and a variety of solvents such as N,N-dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO), and chlorobenzene (CB) were purchased from Thermo Fisher Scientific in the USA. Additionally, stannous chloride (SnCl2•2H2O), thioglycolic acid (TGA), and urea were acquired from Sigma-Aldrich, with all reagents exhibiting a minimum purity of 99%.
This comprehensive sourcing of high-purity materials is crucial for ensuring the reliability and reproducibility of the experimental results presented in the study.
Results
The results demonstrate that the incorporation of the self-assembled molecular template 9-(4-thiocyanatobutyl)-9H-carbazole (Cz-SCN) significantly enhances the crystallization and morphology of perovskite films. Scanning electron microscopy (SEM) images reveal a transition from irregular crystal structures in the control films to monolithic grains in the films treated with SAM, leading to an increase in average grain size from 0.5 μm to 1.3 μm and the complete suppression of residual PbI2 impurities. Additionally, atomic force microscopy (AFM) indicates a reduction in surface roughness from 23.9 nm to 18.8 nm, contributing to a more ordered morphology that is expected to improve device performance by minimizing defect-driven recombination losses and facilitating efficient charge transport.
Grazing-incidence wide-angle X-ray scattering (GIWAXS) measurements confirm that the SAM-treated films exhibit a pure black α-phase without detectable PbI2, along with distinct lamellar structures that suggest ordered stacking of SAM molecules. Time-of-flight secondary-ion mass spectrometry (ToF-SIMS) analysis provides evidence of a uniform distribution of SAM throughout the perovskite films, indicating that SAM effectively permeates the layer during film formation. While ultraviolet-visible (UV-vis) absorption spectra show no change in the bandgap of the perovskite films, the overall findings suggest that SAM treatment leads to improved crystallinity and morphology, which are critical for enhancing the performance of perovskite-based devices.
Discussion
In this study, a novel top-down strategy is introduced to enhance the ordered crystallization of α-FAPbI3 in n-i-p solar cell architectures by incorporating self-assembled monolayers (SAMs), specifically the Cz-SCN variant, into the anti-solvent. The Cz-SCN SAM forms a dynamic template on the perovskite surface during film formation, which effectively suppresses undesirable intermediate phases, accelerates the δ-to-α phase transition, and promotes uniform crystallization. This unique capability of Cz-SCN is attributed to its superior adsorption energy and strong interaction with the perovskite lattice, which is not observed with other anchoring groups such as -NH2, -CN, and -COOH. The resulting films exhibit significantly improved power conversion efficiency (PCE) of 26.18% (certified at 25.67%) and enhanced stability, demonstrating the potential of SAMs in optimizing perovskite crystallization.
In-situ characterization techniques, including GIWAXS, photoluminescence (PL) spectroscopy, and UV-vis absorption spectroscopy, reveal that the SAM influences nucleation and crystal growth dynamics, leading to a more ordered crystallization pathway. The Cz-SCN-treated films show a rapid and complete transition to the α-phase, contrasting with the control films that exhibit incomplete phase transformation and residual impurities. The enhanced optoelectronic properties, characterized by lower trap-state densities and longer charge carrier lifetimes, further validate the effectiveness of the Cz-SCN treatment. Additionally, long-term stability tests indicate that devices utilizing Cz-SCN maintain 95% of their initial efficiency after 1500 hours in ambient conditions, significantly outperforming control devices. This work underscores the critical role of molecular design in achieving high-performance and stable perovskite solar cells.