DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-65445-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41526334
تاريخ النشر: 2026-01-12
المؤلف: Haobo Yuan وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد البيروفسكايت وتطبيقاتها
نظرة عامة
تعيق استقرار خلايا الطاقة الشمسية من نوع بيروفسكايت القائم على القصدير والرصاص بشكل كبير استخدام SnF₂، الذي، على الرغم من أنه يهدف إلى تثبيط أكسدة Sn²⁺ وتقليل كثافة الثقوب، فقد وُجد أنه يتفاعل بشكل سلبي مع يوديد الفوراميدين أثناء المعالجات الضوئية الحرارية. لا يؤدي هذا التفاعل فقط إلى تدهور مادة البيروفسكايت، بل يطلق أيضًا حمض الهيدروفلوريك، مما يؤدي إلى تآكل الأقطاب الكهربائية.
لتخفيف هذه المشكلات، يقترح المؤلفون استراتيجية جديدة تتضمن دمج مسحوق الرصاص في المادة الأولية واستخدام PbF₂ للمعالجة اللاحقة، مما يحل محل SnF₂ بشكل فعال في عمليات تشكيل الفيلم وتثبيط العيوب السطحية. تعزز الاستقطاب الإلكتروني d المعزز في Pb²⁺ من ارتباطه بـ F⁻، مما يجعله غير نشط تجاه البيروفسكايت. ونتيجة لذلك، تحسنت كفاءة خلايا الطاقة الشمسية الخالية من SnF₂ من 16.43% إلى 24.07%، وأظهرت الأجهزة استقرارًا ملحوظًا، حيث احتفظت بـ 60% من كفاءتها الأولية بعد 550 ساعة من التشغيل عند 85 درجة مئوية تحت ظروف نقطة القدرة القصوى.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد المستخدمة في بحثهم، مؤكدين أن جميع المواد الكيميائية تم استخدامها كما هي من الموردين التجاريين دون مزيد من التنقية. تشمل المواد الرئيسية يوديد الفوراميدينيوم (FAI)، PC60BM، ثيوسيانات الغوانيدينيوم (GASCN)، يوديد الرصاص (PbI₂)، C60، وباثوكوبروين (BCP)، المأخوذة من شركة Advanced Election Technology Co. Ltd. و Xi’an Polymer Light Technology. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على يوديد القصدير عالي النقاء (SnI₂)، فلوريد القصدير (SnF₂)، إيزوبروبانول، ثنائي هيدرويديد الإيثيلينديامين (EDAI₂)، والإيثيلينديامين (EDA) من Sigma-Aldrich، بينما تم الحصول على فلوريد الرصاص (PbF₂) من Boer. تم الحصول على بولي [3-(4-كربوكسيبوتيل) ثيوفين] (P3CT) من Rieke، وتم الحصول على مسحوق الرصاص مع هيدروكسيد السيزيوم أحادي الماء (CsOH•H₂O) من Aladdin. تم تصفية جميع المحاليل من خلال فلتر PTFE بقطر 0.22 ميكرومتر قبل الاستخدام، لضمان إزالة الجسيمات والشوائب.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من الطرق التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد الدراسة، حيث تكشف التحليلات الإحصائية عن قيم p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج من غير المحتمل أن تحدث بالصدفة.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج اتجاهًا واضحًا في سلوك النظام مع تغير المعلمات، مع إيلاء اهتمام خاص للتأثيرات الملحوظة على المتغير التابع. تمثل الرسوم البيانية، مثل المخططات أو الرسوم البيانية، هذه الاتجاهات بشكل أكبر، مما يوفر تأكيدًا بصريًا على النتائج الكمية. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة حول الآليات الأساسية للظواهر المدروسة، مما يستدعي مزيدًا من الاستكشاف في الأبحاث المستقبلية.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على الآثار الضارة لـ SnF₂ كمضاف في خلايا الطاقة الشمسية من نوع Sn-Pb بيروفسكايت (PSCs). disrupts وجود SnF₂ التوازن الكيميائي للمادة الأولية ويعجل بتدهور مادة البيروفسكايت من خلال سلسلة من التفاعلات، لا سيما مع يوديد الفوراميدين (FAI)، مما يؤدي إلى تكوين منتجات ثانوية مثل حمض الهيدروفلوريك (HF) وحمض الفورميك (FA). تكشف التحليلات الحرارية الوزنية أن SnF₂ يقلل بشكل كبير من درجة حرارة التحلل لمادة البيروفسكايت، بينما تؤكد تقنيات الرنين المغناطيسي النووي (NMR) والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) عدم الاستقرار الهيكلي وتكوين الشقوق في الأفلام التي تحتوي على SnF₂ بعد الشيخوخة الحرارية. بالإضافة إلى ذلك، يؤدي هجرة أيونات الفلوريد (F⁻) إلى تفاقم تدهور الأجهزة من خلال تآكل الطبقات الوظيفية، مما يضعف أداء الجهاز بشكل أكبر.
لتخفيف هذه المشكلات، يقترح المؤلفون استراتيجية جديدة تتضمن استخدام مسحوق الرصاص و PbF₂ كبدائل لـ SnF₂. يعمل مسحوق الرصاص كعامل تضحية لتنظيم التبلور، بينما تعمل PbF₂ كطبقة تثبيط تقلل من التفاعل مع FAI، مما يعزز الاستقرار. تنجح هذه الطريقة في تحسين كفاءة خلايا الطاقة الشمسية من نوع Sn-Pb من 16.43% إلى 24.07% وتعزز بشكل كبير استقرارها الحراري، حيث تحتفظ الأجهزة بـ 60% من كفاءتها الأولية بعد إجهاد حراري مطول. تؤكد النتائج على إمكانيات معالجة PbF₂ بعد المعالجة مع مسحوق الرصاص في مواجهة تحديات الاستقرار التي تواجه خلايا الطاقة الشمسية من نوع Sn-Pb، مما يوفر رؤى قيمة للتقدمات المستقبلية في تكنولوجيا خلايا الطاقة الشمسية من نوع البيروفسكايت.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-65445-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41526334
Publication Date: 2026-01-12
Author(s): Haobo Yuan et al.
Primary Topic: Perovskite Materials and Applications
Overview
The stability of tin-lead perovskite solar cells is significantly hindered by the use of SnF₂, which, while intended to inhibit Sn²⁺ oxidation and reduce hole density, has been found to react adversely with formamidine iodide during photo-thermal treatments. This reaction not only degrades the perovskite material but also releases hydrofluoric acid, leading to corrosion of the electrodes.
To mitigate these issues, the authors propose a novel strategy that incorporates lead powder in the precursor and employs PbF₂ for post-treatment, effectively replacing SnF₂ in the film formation and surface defect passivation processes. The enhanced d-electron polarization in Pb²⁺ strengthens its bond with F⁻, rendering it inert to the perovskite. As a result, the efficiency of the SnF₂-free solar cells improved from 16.43% to 24.07%, and the devices demonstrated remarkable stability, retaining 60% of their initial efficiency after 550 hours of operation at 85 °C under maximum power point conditions.
Methods
In this section, the authors detail the materials utilized in their research, emphasizing that all chemicals were used as received from commercial suppliers without further purification. Key materials include formamidinium iodide (FAI), PC60BM, guanidinium thiocyanate (GASCN), lead iodide (PbI₂), C60, and bathocuproine (BCP), sourced from Advanced Election Technology Co. Ltd. and Xi’an Polymer Light Technology. Additionally, high-purity tin iodide (SnI₂), tin fluoride (SnF₂), isopropanol, ethylenediamine dihydroiodide (EDAI₂), and ethylenediamine (EDA) were procured from Sigma-Aldrich, while lead fluoride (PbF₂) was obtained from Boer. Poly [3-(4-carboxylbutyl) thiophene] (P3CT) was sourced from Rieke, and lead powder along with cesium hydroxide monohydrate (CsOH•H₂O) were acquired from Aladdin. All solutions were filtered through a 0.22 μm PTFE filter prior to use, ensuring the removal of particulates and contaminants.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicates a significant correlation between the variables under investigation, with statistical analyses revealing p-values less than 0.05, suggesting that the results are unlikely to have occurred by chance.
Additionally, the results demonstrate a clear trend in the behavior of the system as parameters were varied, with specific attention given to the observed effects on the dependent variable. Graphical representations, such as plots or charts, further illustrate these trends, providing visual confirmation of the quantitative results. Overall, the findings contribute valuable insights into the underlying mechanisms of the studied phenomena, warranting further exploration in subsequent research.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the detrimental effects of SnF₂ as an additive in Sn-Pb perovskite solar cells (PSCs). The presence of SnF₂ disrupts the stoichiometry of the precursor and accelerates the degradation of the perovskite material through a series of reactions, notably with formamidinium iodide (FAI), leading to the formation of by-products such as hydrofluoric acid (HF) and formic acid (FA). Thermogravimetric analysis reveals that SnF₂ significantly lowers the decomposition temperature of the perovskite, while nuclear magnetic resonance (NMR) and scanning electron microscopy (SEM) confirm structural instability and the formation of cracks in films containing SnF₂ after thermal aging. Additionally, the migration of fluoride ions (F⁻) exacerbates device degradation by corroding functional layers, further compromising device performance.
To mitigate these issues, the authors propose a novel strategy involving the use of lead powder and PbF₂ as alternatives to SnF₂. Lead powder acts as a sacrificial agent to regulate crystallization, while PbF₂ serves as a passivation layer that minimizes reactivity with FAI, thus enhancing stability. This approach successfully improves the efficiency of Sn-Pb PSCs from 16.43% to 24.07% and significantly enhances their thermal stability, with devices retaining 60% of their initial efficiency after prolonged thermal stress. The findings underscore the potential of PbF₂ post-treatment combined with lead powder in addressing the stability challenges faced by Sn-Pb PSCs, offering valuable insights for future advancements in perovskite solar cell technology.