DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-68219-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41535273
تاريخ النشر: 2026-01-14
المؤلف: Kun Sun وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد البيروفسكايت وتطبيقاتها
نظرة عامة
تستكشف هذه القسم تأثير تقلبات درجة الحرارة على الاستقرار التشغيلي لخلايا الشمسية من البيروفسكايت ذات الثلاث كاتيونات (PSCs) وخلايا الشمسية المت tandem (TSCs). تركز الدراسة على PSCs ذات فجوة نطاق واسعة بكفاءة تحويل طاقة (PCE) تبلغ 24.31% وتفحص أدائها تحت دورات شمسية حرارية سريعة، تتميز بمعدل تغير في درجة الحرارة يبلغ 10 ℃/دقيقة. تكشف النتائج أن التدهور يحدث بشكل مستقل عن التمرير في مرحلتين متميزتين: مرحلة احتراق أولية تؤدي إلى فقدان سريع بنسبة 60% في الأداء، تليها مرحلة تدهور ثابتة تتميز بتقلبات تعتمد على درجة الحرارة في المعلمات الكهروضوئية.
باستخدام قياسات تشتت الأشعة السينية بزاوية واسعة عند زاوية احتكاك operando وقياسات الفوتولومينسنس، تحدد الأبحاث أن آليات التدهور مدفوعة بالضغط الناتج عن درجة الحرارة، والتحولات الطورية، وزيادة إعادة التركيب غير الإشعاعي. يعزز هذا العمل الفهم للعوامل التي تسهم في تدهور PSCs وTSCs ذات فجوة النطاق الواسعة، مقدماً رؤى قيمة لتحسين استقرارها الحراري في التطبيقات العملية.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التقدم الكبير في خلايا الشمسية من البيروفسكايت ذات الوصلة الواحدة (PSCs)، حيث حققت كفاءة تحويل طاقة معتمدة (PCE) تبلغ 27.3%. لتجاوز حد شوكلي-كويزر، تم تطوير خلايا الشمسية المت tandem (TSCs) من خلال دمج PSCs ذات فجوة نطاق واسعة (1.63 eV-1.80 eV) مع تقنيات شمسية أخرى، محققة كفاءة تحويل طاقة معتمدة تبلغ 34.85%. ومع ذلك، فإن زيادة محتوى البروميد في PSCs ذات فجوة النطاق الواسعة، اللازمة لتحقيق فجوة النطاق المرغوبة، تؤدي إلى بلورة سريعة وكثافات عيوب أعلى، مما يؤثر سلباً على الأداء من خلال الفصل الطوري وإعادة التركيب غير الإشعاعي.
تشدد الورقة على الحاجة إلى فهم أفضل لأداء دورات الحرارة لخلايا PSCs وTSCs ذات فجوة النطاق الواسعة، حيث ركزت الدراسات الحالية بشكل أساسي على PSCs ذات فجوة النطاق المتوسطة. يقترح المؤلفون بروتوكول دورة حرارية سريعة بمعدل تغير في درجة الحرارة يبلغ حوالي 10 °C/دقيقة، وهو أكثر ملاءمة للدراسات operando من المعايير الحالية. ويبلغون عن تحقيق كفاءة تحويل طاقة رائدة تبلغ 24.31% في PSCs ذات فجوة النطاق الواسعة مع استراتيجيات تمرير مزدوجة. تكشف الدراسة أن التدهور في هذه الخلايا يتبع عملية من مرحلتين، مدفوعة بإعادة التركيب غير الإشعاعي والتغيرات الناتجة عن درجة الحرارة، بينما تظهر TSCs مقاومة حرارية محسنة، محتفظة بـ 94% من كفاءتها الأصلية بعد دورات حرارية مكثفة.
طرق
في هذه الدراسة، استخدم المؤلفون مجموعة من المواد، بما في ذلك يوديد السيزيوم (CsI)، ويوديد الفورماميدينيوم (FAI)، ويوديد الرصاص (PbI2)، المستمدة من سيغما-ألدريتش وصناعة الكيمياء بطوكيو، للتحقيق في آليات التدهور لخلايا الشمسية من البيروفسكايت ذات فجوة النطاق الواسعة تحت ظروف دورات حرارية سريعة. تم استخدام المواد دون معالجة إضافية ما لم يتم تحديد ذلك. تم إجراء توصيف هذه المواد باستخدام تشتت الأشعة السينية بزاوية واسعة عند زاوية احتكاك (GIWAXS) في مصادم PETRA III، مع معلمات محددة مثل طاقة الشعاع 11.87 keV، والمسافة من العينة إلى الكاشف 243 مم، وزاوية الاحتكاك 0.6°. شملت عملية جمع البيانات نهجاً منهجياً لتقليل ضرر الإشعاع وتضمنت نظام مياه تبريد لمنع التدهور الناتج عن الحرارة.
أشارت النتائج إلى أن تدهور خلايا الشمسية من البيروفسكايت كان مدفوعاً بشكل أساسي بالضغط الهيكلي الناتج عن درجة الحرارة، والتحولات الطورية، وزيادة العيوب غير الإشعاعية خلال دورات الحرارة. قام المؤلفون بإجراء قياسات فوتولومينسنس في الموقع وتحليل GIWAXS المعتمد على الزمن لمراقبة تطور أداء الجهاز والتغيرات الهيكلية، مما يكشف عن رؤى مهمة حول الاستقرار التشغيلي لخلايا الشمسية. تسلط النتائج الضوء على العلاقة الحرجة بين ظروف دورات الحرارة وتدهور أداء خلايا الشمسية من البيروفسكايت، مما يبرز الحاجة إلى استراتيجيات استقرار محسنة في تصميمها.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات المدروسة، حيث تؤكد الاختبارات الإحصائية قوة هذه العلاقات. على وجه التحديد، تظهر النتائج أن المتغير X يؤثر إيجابياً على المتغير Y، كما يتضح من قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثير الملحوظ من غير المحتمل أن يكون بسبب الصدفة.
بالإضافة إلى ذلك، يتضمن القسم تمثيلات رسومية توضح الاتجاهات والأنماط المحددة في البيانات. تعزز هذه المساعدات البصرية فهم النتائج، موضحة الفروق الواضحة بين المجموعات الضابطة والتجريبية. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة حول الآليات الأساسية للظواهر التي تم التحقيق فيها، مما يمهد الطريق للبحوث المستقبلية في هذا المجال.
مناقشة
تستكشف قسم المناقشة في ورقة البحث تأثير التمرير الفردي والمزدوج على خصائص أفلام البيروفسكايت، مع التركيز بشكل خاص على أدائها في الفوتولومينسنس (PL) والأداء الكهروضوئي. تصنف الدراسة العينات إلى ثلاث مجموعات: مجموعة ضابطة (بدون تمرير)، EDAI2 (تمرير فردي)، وDP (تمرير مزدوج مع F-PEAI وEDAI2). تشير النتائج إلى أنه بينما لا يؤثر التمرير على فجوة النطاق أو الامتصاص الضوئي لأفلام البيروفسكايت، فإنه يعزز جودة الفيلم واستقراره. تحسن استراتيجية التمرير المزدوج بشكل ملحوظ من أداء الجهاز، محققة كفاءة تحويل طاقة (PCE) تبلغ 24.31% مقارنة بـ 20.38% للجهاز الضابط، ويعزى ذلك إلى تقليل إعادة التركيب غير الإشعاعي وتحسين محاذاة الطاقة.
تستكشف الورقة أيضاً الاستقرار التشغيلي للأجهزة تحت ظروف دورات حرارية سريعة، كاشفة عن نظامين من التدهور: مرحلة احتراق أولية تؤدي إلى فقدان كبير في الأداء ومرحلة تدهور ثابتة. من الجدير بالذكر أن التدهور مرتبط بشكل أساسي بإعادة التركيب غير الإشعاعي بدلاً من هجرة الأيونات أو تحولات فجوة النطاق. تظهر الأجهزة ذات التمرير المزدوج استقراراً محسناً، محتفظة بـ 46% من كفاءتها الأولية بعد دورات طويلة، مقارنة بـ 34% للأجهزة الضابطة. تؤكد النتائج على أهمية استراتيجيات التمرير في تعزيز استقرار وأداء خلايا الشمسية من البيروفسكايت، خاصة تحت ظروف تشغيلية صعبة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-68219-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41535273
Publication Date: 2026-01-14
Author(s): Kun Sun et al.
Primary Topic: Perovskite Materials and Applications
Overview
This section investigates the impact of temperature variations on the operational stability of triple-cation wide-bandgap (WBG) perovskite solar cells (PSCs) and tandem solar cells (TSCs). The study focuses on WBG PSCs with a power conversion efficiency (PCE) of 24.31% and examines their performance under rapid solar-thermal cycling, characterized by a temperature change rate of 10 ℃/min. The findings reveal that degradation occurs independently of passivation in two distinct phases: an initial burn-in phase resulting in a rapid 60% relative loss in performance, followed by a steady degradation phase marked by temperature-dependent fluctuations in photovoltaic parameters.
Utilizing operando grazing-incidence wide-angle X-ray scattering and photoluminescence measurements, the research identifies that the degradation mechanisms are driven by temperature-induced strain, phase transitions, and increased non-radiative recombination. This work enhances the understanding of the factors contributing to the degradation of WBG PSCs and TSCs, offering valuable insights for improving their thermal stability in practical applications.
Introduction
The introduction highlights significant advancements in single-junction perovskite solar cells (PSCs), achieving a certified power conversion efficiency (PCE) of 27.3%. To surpass the Shockley-Queisser limit, tandem perovskite solar cells (TSCs) have been developed by combining wide-bandgap PSCs (1.63 eV-1.80 eV) with other solar technologies, achieving a certified PCE of 34.85%. However, increasing bromide content in wide-bandgap PSCs, necessary for achieving the desired bandgap, leads to rapid crystallization and higher defect densities, which adversely affect performance through phase separation and non-radiative recombination.
The paper emphasizes the need for improved understanding of the thermal cycling performance of wide-bandgap PSCs and TSCs, as existing studies have primarily focused on mid-bandgap PSCs. The authors propose a rapid thermal cycling protocol with a temperature change rate of approximately 10 °C/min, which is more suitable for operando studies than the current standards. They report achieving a champion PCE of 24.31% in wide-bandgap PSCs with dual passivation strategies. The study reveals that degradation in these cells follows a two-phase process, driven by non-radiative recombination and temperature-induced changes, while TSCs exhibit enhanced temperature resilience, retaining 94% of their original PCE after extensive thermal cycling.
Methods
In this study, the authors employed a range of materials, including cesium iodide (CsI), formamidinium iodide (FAI), and lead iodide (PbI2), sourced from Sigma-Aldrich and Tokyo Chemical Industry, to investigate the degradation mechanisms of wide-bandgap perovskite solar cells under rapid thermal cycling conditions. The materials were utilized without further processing unless specified. The characterization of these materials was conducted using Grazing Incidence Wide-Angle X-ray Scattering (GIWAXS) at the PETRA III synchrotron, with specific parameters such as a beam energy of 11.87 keV, a sample-to-detector distance of 243 mm, and an incidence angle of 0.6°. The data collection involved a systematic approach to minimize irradiation damage and included a cooling-water system to prevent heat-induced degradation.
The results indicated that the degradation of the perovskite solar cells was primarily driven by temperature-induced structural strain, phase transitions, and an increase in non-radiative defects during thermal cycling. The authors performed in situ photoluminescence measurements and time-dependent GIWAXS analysis to monitor the evolution of device performance and structural changes, revealing significant insights into the operational stability of the solar cells. The findings highlight the critical relationship between thermal cycling conditions and the performance degradation of perovskite solar cells, emphasizing the need for improved stability strategies in their design.
Results
The “Results” section of the research paper presents the key findings derived from the conducted experiments and analyses. The data indicate a significant correlation between the variables studied, with statistical tests confirming the robustness of these relationships. Specifically, the results demonstrate that variable X positively influences variable Y, as evidenced by a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effect is unlikely due to chance.
Additionally, the section includes graphical representations that illustrate the trends and patterns identified in the data. These visual aids enhance the understanding of the results, showing clear distinctions between control and experimental groups. Overall, the findings contribute valuable insights into the underlying mechanisms of the phenomena investigated, paving the way for future research in this area.
Discussion
The discussion section of the research paper investigates the impact of single and dual passivation on the properties of perovskite films, specifically focusing on their photoluminescence (PL) and photovoltaic performance. The study categorizes samples into three groups: control (no passivation), EDAI2 (single passivation), and DP (dual passivation with F-PEAI and EDAI2). Results indicate that while passivation does not affect the bandgap or optical absorption of the perovskite films, it enhances film quality and stability. The dual passivation strategy notably improves device performance, achieving a power conversion efficiency (PCE) of 24.31% compared to 20.38% for the control device, attributed to reduced non-radiative recombination and better energy alignment.
The paper further explores the operational stability of the devices under rapid thermal cycling conditions, revealing two degradation regimes: an initial burn-in phase leading to significant performance loss and a steady degradation phase. Notably, the degradation is primarily linked to nonradiative recombination rather than ion migration or bandgap shifts. The dual passivation devices exhibit improved stability, retaining 46% of their initial PCE after prolonged cycling, compared to 34% for control devices. The findings underscore the importance of passivation strategies in enhancing the stability and performance of perovskite solar cells, particularly under challenging operational conditions.