Unlocking Wavelength-Selective Modulations of Open-Circuit Voltage in Metal Halide Perovskite Solar Cells

Abstract

The photovoltaic performance of metal halide perovskite solar cells often respond divergently to environmental conditions during storage. In particular, light exposure can either enhance or degrade device efficiency, yet the mechanisms underlying these antithetical behaviors are still under investigation. In this study, we explore the modulation of the open-circuit voltage (Voc) in triple-cation mixed-halide perovskite solar cells by systematically controlling storage environments. While light intensity exhibits minimal impact during storage, the spectral composition of illumination selectively enhances Voc comprising reversible and irreversible contributions. Structural characterization reveals that prolonged storage degrades the quality of perovskite crystals in the upper region of the perovskite layer, whereas light storage promotes the relaxation of microstrain at the buried interface with a p-type organic layer. This structural reorganization at the interface, accompanied by lattice expansion, accounts for suppressed nonradiative recombination and a corresponding increase in quasi-Fermi level splitting. Consequently, devices fabricated without chemical defect passivation achieve a power conversion efficiency of higher than 40% under indoor lighting conditions after preconditioned by continuous exposure to ambient light during storage. These findings highlight the critical role of controlled light exposure during storage not only in enhancing efficiency, but also in ensuring reproducibility of perovskite solar cell characterization.

Keywords

indoor photovoltaics / light-induced modulations / perovskite solar cells / reproducibility / strain relaxation

References

[1] Z. Qu, Y. Zhao, F. Ma, L. Mei, X.-K. Chen, H. Zhou, X. Chu, Y. Yang, Q. Jiang, X. Zhang, J. You, Nat. Commun. 2024, 15, 8620.

[2] M. Wuttig, C.-F. Schön, M. Schumacher, J. Robertson, P. Golub, E. Bousquet, C. Gatti, J.-Y. Raty, Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2110166.

[3] J. Fu, Q. Xu, G. Han, B. Wu, C. H. A. Huan, M. L. Leek, T. C. Sum, Nat. Commun. 2017, 8, 1300.

[4] W. Lin, S. E. Canton, K. Zheng, T. Pullerits, ACS Energy Lett. 2024, 9, 298.

[5] Y. Li, Z. Xie, Y. Duan, Y. Li, Y. Sun, C. Su, H. Li, R. Sun, M. Cheng, H. Wang, D. Xu, K. Zhang, Y. Wang, H. Lei, Q. Peng, K. Guo, S. Liu, Z. Liu, Adv. Mater. 2025, 37, 2414354.

[6] Y. Zheng, Y. Li, R. Zhuang, X. Wu, C. Tian, A. Sun, C. Chen, Y. Guo, Y. Hua, K. Meng, K. Wu, C.-C. Chen, Energy Environ. Sci. 2024, 17, 1153.

[7] S. Shin, H. Shin, Mater. Today Energy 2023, 37, 101381.

[8] I. Hwang, J. Phys. Chem. C 2023, 127, 24011.

[9] Y. Han, J. Wang, C. G. Bischak, S. Kim, K. Lee, D. Shin, M. J. Lee, D. S. Ginger, I. Hwang, ACS Photonics 2020, 7, 2489.

[10] S. Sandhu, N.-G. Park, Acc. Mater. Res. 2024, 5, 1544.

[11] X. Wu, G. Xiong, Z. Yue, Z. Dong, Y. Cheng, Mater. Chem. Front. 2024, 8, 800.

[12] X. Shen, K. Kang, Z. Yu, W. H. Jeong, H. Choi, S. H. Park, S. D. Stranks, H. J. Snaith, R. H. Friend, B. R. Lee, Joule 2023, 7, 272.

[13] C. Yang, W. Hu, J. Liu, C. Han, Q. Gao, A. Mei, Y. Zhou, F. Guo, H. Han, Light Sci Appl 2024, 13, 227.

[14] D. Zhang, D. Li, Y. Hu, A. Mei, H. Han, Commun. Mater. 2022, 3, 58.

[15] A. M. A. Leguy, Y. Hu, M. Campoy-Quiles, M. I. Alonso, O. J. Weber, P. Azarhoosh, M. van Schilfgaarde, M. T. Weller, T. Bein, J. Nelson, P. Docampo, P. R. F. Barnes, Chem. Mater. 2015, 27, 3397.

[16] N. P. Jasti, G. E. Shter, Y. Feldman, D. R. Ceratti, A. Kama, I. Buchine, G. S. Grader, D. Cahen, Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2204283.

[17] N. Aristidou, C. Eames, I. Sanchez-Molina, X. Bu, J. Kosco, M. S. Islam, S. A. Haque, Nat. Commun. 2017, 8, 15218.

[18] D. Bryant, N. Aristidou, S. Pont, I. Sanchez-Molina, T. Chotchunangatchaval, S. Wheeler, J. R. Durrant, S. A. Haque, Energy Environ. Sci. 2016, 9, 1655.

[19] Z. Zhang, X. Tian, C. Wang, J. Jin, Y. Jiang, Q. Zhou, J. Zhu, J. Xu, R. He, Y. Huang, S. Ren, C. Chen, P. Gao, R. Long, D. Zhao, Energy Environ. Sci. 2022, 15, 5274.

[20] J. Hidalgo, W. Kaiser, Y. An, R. Li, Z. Oh, A.-F. Castro-Méndez, D. K. LaFollette, S. Kim, B. Lai, J. Breternitz, S. Schorr, C. A. R. Perini, E. Mosconi, F. De Angelis, J.-P. Correa-Baena, J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 24549.

[21] K. Liu, Y. Luo, Y. Jin, T. Liu, Y. Liang, L. Yang, P. Song, Z. Liu, C. Tian, L. Xie, Z. Wei, Nat. Commun. 2022, 13, 4891.

[22] H. Zhou, J. Park, Y. Lee, J.-M. Park, J.-H. Kim, J. S. Kim, H.-D. Lee, S. H. Jo, X. Cai, L. Li, X. Sheng, H. J. Yun, J.-W. Park, J.-Y. Sun, T.-W. Lee, Adv. Mater. 2020, 32, 2001989.

[23] A. García-Fernández, Z. Moradi, J. M. Bermúdez-García, M. Sánchez-Andújar, V. A. Gimeno, S. Castro-García, M. A. Señarís-Rodríguez, E. Mas-Marzá, G. Garcia-Belmonte, F. Fabregat-Santiago, J. Phys. Chem. C 2019, 123, 2011.

[24] W. Zhang, J. Xiong, J. Li, W. A. Daoud, Sol. RRL 2020, 4, 1900370.

[25] R. Brenes, D. Guo, A. Osherov, N. K. Noel, C. Eames, E. M. Hutter, S. K. Pathak, F. Niroui, R. H. Friend, M. S. Islam, H. J. Snaith, V. Bulović, T. J. Savenije, S. D. Stranks, Joule 2017, 1, 155.

[26] S.-C. Liu, Z. Li, Y. Yang, X. Wang, Y.-X. Chen, D.-J. Xue, J.-S. Hu, J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 18075.

[27] L. A. Muscarella, B. Ehrler, Joule 2022, 6, 2016.

[28] C. C. Boyd, R. Cheacharoen, T. Leijtens, M. D. McGehee, Chem. Rev. 2019, 119, 3418.

[29] D. Liu, D. Luo, A. N. Iqbal, K. W. P. Orr, T. A. S. Doherty, Z.-H. Lu, S. D. Stranks, W. Zhang, Nat. Mater. 2021, 20, 1337.

[30] T. Du, T. J. Macdonald, R. X. Yang, M. Li, Z. Jiang, L. Mohan, W. Xu, Z. Su, X. Gao, R. Whiteley, C.-T. Lin, G. Min, S. A. Haque, J. R. Durrant, K. A. Persson, M. A. McLachlan, J. Briscoe, Adv. Mater. 2022, 34, 2107850.

[31] B. Yang, D. Bogachuk, J. Suo, L. Wagner, H. Kim, J. Lim, A. Hinsch, G. Boschloo, M. K. Nazeeruddin, A. Hagfeldt, Chem. Soc. Rev. 2022, 51, 7509.

[32] Y. Zhao, P. Miao, J. Elia, H. Hu, X. Wang, T. Heumueller, Y. Hou, G. J. Matt, A. Osvet, Y.-T. Chen, M. Tarragó, D. de Ligny, T. Przybilla, P. Denninger, J. Will, J. Zhang, X. Tang, N. Li, C. He, A. Pan, A. J. Meixner, E. Spiecker, D. Zhang, C. J. Brabec, Nat. Commun. 2020, 11, 6328.

[33] W. Mao, C. R. Hall, S. Bernardi, Y.-B. Cheng, A. Widmer-Cooper, T. A. Smith, U. Bach, Nat. Mater. 2021, 20, 55.

[34] H. Guo, Z. J. Li, S. C. Kim, G. S. Han, H. S. Jung, Sol. RRL 2024, 8, 2400203.

[35] C. Zhu, X. Niu, Y. Fu, N. Li, C. Hu, Y. Chen, X. He, G. Na, P. Liu, H. Zai, Y. Ge, Y. Lu, X. Ke, Y. Bai, S. Yang, P. Chen, Y. Li, M. Sui, L. Zhang, H. Zhou, Q. Chen, Nat. Commun. 2019, 10, 815.

[36] J. Zhao, Y. Deng, H. Wei, X. Zheng, Z. Yu, Y. Shao, J. E. Shield, J. Huang, Sci. Adv. 2017, 3, eaao5616.

[37] Y. Wang, D. Zheng, K. Wang, Q. Yang, J. Qian, J. Zhou, S. Liu, D. Yang, Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202405878.

[38] D.-J. Xue, Y. Hou, S.-C. Liu, M. Wei, B. Chen, Z. Huang, Z. Li, B. Sun, A. H. Proppe, Y. Dong, M. I. Saidaminov, S. O. Kelley, J.-S. Hu, E. H. Sargent, Nat. Commun. 2020, 11, 1514.

[39] H. Wang, C. Zhu, L. Liu, S. Ma, P. Liu, J. Wu, C. Shi, Q. Du, Y. Hao, S. Xiang, H. Chen, P. Chen, Y. Bai, H. Zhou, Y. Li, Q. Chen, Adv. Mater. 2019, 31, 1904408.

[40] H.-S. Kim, N.-G. Park, NPG Asia Mater. 2020, 12, 78.

[41] Z. Yao, Z. Xu, W. Zhao, J. Zhang, H. Bian, Y. Fang, Y. Yang, S. Liu, Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2100403.

[42] S. Moghadamzadeh, I. M. Hossain, M. Jakoby, B. Abdollahi Nejand, D. Rueda-Delgado, J. A. Schwenzer, S. Gharibzadeh, T. Abzieher, M. R. Khan, A. A. Haghighirad, I. A. Howard, B. S. Richards, U. Lemmer, U. W. Paetzold, J. Mater. Chem. A 2020, 8, 670.

[43] Y. Cho, H. D. Kim, J. Zheng, J. Bing, Y. Li, M. Zhang, M. A. Green, A. Wakamiya, S. Huang, H. Ohkita, A. W. Y. Ho-Baillie, ACS Energy Lett. 2021, 6, 925.

[44] C. G. Bischak, C. L. Hetherington, H. Wu, S. Aloni, D. F. Ogletree, D. T. Limmer, N. S. Ginsberg, Nano Lett. 2017, 17, 1028.

[45] X. Wang, Y. Ling, X. Lian, Y. Xin, K. B. Dhungana, F. Perez-Orive, J. Knox, Z. Chen, Y. Zhou, D. Beery, K. Hanson, J. Shi, S. Lin, H. Gao, Nat. Commun. 2019, 10, 695.

[46] F. Brivio, C. Caetano, A. Walsh, J. Phys. Chem. Lett. 2016, 7, 1083.

[47] K. W. P. Orr, J. Diao, M. N. Lintangpradipto, D. J. Batey, A. N. Iqbal, S. Kahmann, K. Frohna, M. Dubajic, S. J. Zelewski, A. E. Dearle, T. A. Selby, P. Li, T. A. S. Doherty, S. Hofmann, O. M. Bakr, I. K. Robinson, S. D. Stranks, Adv. Mater. 2023, 35, 2305549.

[48] B. Li, Y. Jiao, S. Qin, Y. Wang, H. Liu, R. Li, W. Hao, H. Li, Y. Xia, X. Li, J. Zhao, J. Phys. Chem. Lett. 2023, 14, 1343.

[49] H. Tsai, R. Asadpour, J.-C. Blancon, C. C. Stoumpos, O. Durand, J. W. Strzalka, B. Chen, R. Verduzco, P. M. Ajayan, S. Tretiak, J. Even, M. A. Alam, M. G. Kanatzidis, W. Nie, A. D. Mohite, Science 2018, 360, 67.

[50] F. Baumann, M. Karimipour, J. Padilla-Pantoja, E. Chávez-Angel, J. M. Caicedo Roque, R. Pouteaux, A. Alcalá Ibarra, S. R. Raga, J. Santiso, M. Lira-Cantu, ACS Energy Lett. 2025, 10, 476.

[51] L. A. Muscarella, E. M. Hutter, F. Wittmann, Y. W. Woo, Y.-K. Jung, L. McGovern, J. Versluis, A. Walsh, H. J. Bakker, B. Ehrler, ACS Energy Lett. 2020, 5, 3152.

[52] Y. Yao, C. Cheng, C. Zhang, H. Hu, K. Wang, S. De Wolf, Adv. Mater. 2022, 34, 2203794.

[53] A. Al-Ashouri, A. Magomedov, M. Roß, M. Jošt, M. Talaikis, G. Chistiakova, T. Bertram, J. A. Márquez, E. Köhnen, E. Kasparavičius, S. Levcenco, L. Gil-Escrig, C. J. Hages, R. Schlatmann, B. Rech, T. Malinauskas, T. Unold, C. A. Kaufmann, L. Korte, G. Niaura, V. Getautis, S. Albrecht, Energy Environ. Sci. 2019, 12, 3356.

[54] N. Phung, M. Verheijen, A. Todinova, K. Datta, M. Verhage, A. Al-Ashouri, H. Köbler, X. Li, A. Abate, S. Albrecht, M. Creatore, ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 2166.

[55] J. Siekmann, A. Kulkarni, S. Akel, B. Klingebiel, M. Saliba, U. Rau, T. Kirchartz, Adv. Energy Mater. 2023, 13, 2300448.

[56] D.-H. Kim, H.-J. Lee, S.-H. Lee, Y.-J. Kang, S.-N. Kwon, D.-H. Kim, S.-I. Na, Sol. RRL 2024, 8, 2400067.

[57] X. Hu, J. Li, C. Wang, H. Cui, Y. Liu, S. Zhou, H. Guan, W. Ke, C. Tao, G. Fang, Nano-Micro Lett. 2023, 15, 103.

[58] S. Xiong, F. Tian, F. Wang, A. Cao, Z. Chen, S. Jiang, D. Li, B. Xu, H. Wu, Y. Zhang, H. Qiao, Z. Ma, J. Tang, H. Zhu, Y. Yao, X. Liu, L. Zhang, Z. Sun, M. Fahlman, J. Chu, F. Gao, Q. Bao, Nat. Commun. 2024, 15, 5607.

[59] K. Almasabi, X. Zheng, B. Turedi, A. Y. Alsalloum, M. N. Lintangpradipto, J. Yin, L. Gutiérrez-Arzaluz, K. Kotsovos, A. Jamal, I. Gereige, O. F. Mohammed, O. M. Bakr, ACS Energy Lett. 2023, 8, 950.

[60] K. O. Brinkmann, T. Becker, F. Zimmermann, C. Kreusel, T. Gahlmann, T. Haeger, T. Riedl, Sol. RRL 2021, 5, 2100371.

[61] C. Fei, H. Wang, Org. Electron. 2019, 68, 143.

[62] S. Shin, S.-H. Yang, S. Seo, H. Park, U. Amornkitbamrung, Y. In, C. Wang, T. Nakamura, A. Wakamiya, Y.-M. Kim, H. Shin, ACS Energy Lett. 2024, 9, 3618.

[63] S. Kim, J. H. Jang, Z. Wu, M. J. Lee, H. Y. Woo, I. Hwang, Small 2021, 17, 2101839.

[64] D. Zheng, F. Raffin, P. Volovitch, T. Pauporté, Nat. Commun. 2022, 13, 6655.

[65] A. A. Medjahed, T. Zhou, J. C. Alvarez Quiceno, P. Dally, P. Pochet, T. U. Schülli, D. Djurado, P. Reiss, S. Pouget, Adv. Energy Mater. 2022, 12, 2103627.

[66] Y. Song, W. Liu, C. Fang, D. Li, P. Lu, Opt. Express 2019, 27, 30618.

[67] D. Nath, F. Singh, R. Das, Mater. Chem. Phys. 2020, 239, 122021.

[68] M. Chen, K. Chang, Y. Zhang, Z. Zhang, Y. Dong, X. Qiu, H. Jiang, Y. Zhu, J. Zhu, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202305530.

[69] M. R. Filip, G. E. Eperon, H. J. Snaith, F. Giustino, Nat. Commun. 2014, 5, 5757.

[70] S. Boyer-Richard, C. Katan, B. Traoré, R. Scholz, J.-M. Jancu, J. Even, J. Phys. Chem. Lett. 2016, 7, 3833.

[71] T. W. Jones, A. Osherov, M. Alsari, M. Sponseller, B. C. Duck, Y.-K. Jung, C. Settens, F. Niroui, R. Brenes, C. V. Stan, Y. Li, M. Abdi-Jalebi, N. Tamura, J. E. Macdonald, M. Burghammer, R. H. Friend, V. Bulović, A. Walsh, G. J. Wilson, S. Lilliu, S. D. Stranks, Energy Environ. Sci. 2019, 12, 596.

[72] J. Liang, X. Hu, C. Wang, C. Liang, C. Chen, M. Xiao, J. Li, C. Tao, G. Xing, R. Yu, W. Ke, G. Fang, Joule 2022, 6, 816.

[73] S. Park, S. Y. Jeong, J. Kim, H. Lee, H. S. Kim, Y. W. Noh, Y. I. Kim, S. Cho, J. S. Kang, H. Y. Woo, M. H. Song, Energy Environ. Sci. 2024, 17, 8304.

[74] P. Caprioglio, M. Stolterfoht, C. M. Wolff, T. Unold, B. Rech, S. Albrecht, D. Neher, Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1901631.

[75] K. Zhang, K. Forberich, L. Lüer, J. G. Cerrillo, W. Meng, X. Du, V. M. Le Corre, Y. Zhao, T. Niu, Q. Xue, L. J. A. Koster, N. Li, C. J. Brabec, Adv. Energy Sustain. Res. 2022, 3, 2100156.

[76] J. Ye, N. Mondal, B. P. Carwithen, Y. Zhang, L. Dai, X.-B. Fan, J. Mao, Z. Cui, P. Ghosh, C. Otero-Martínez, L. van Turnhout, Y.-T. Huang, Z. Yu, Z. Chen, N. C. Greenham, S. D. Stranks, L. Polavarapu, A. Bakulin, A. Rao, R. L. Z. Hoye, Nat. Commun. 2024, 15, 8120.

[77] Y. Feng, Y. Zhang, C. Duan, M. Zhao, J. Dai, Opt Mater Express 2022, 12, 3262.

[78] F. M. Rombach, S. A. Haque, T. J. Macdonald, Energy Environ. Sci. 2021, 14, 5161.

[79] W. Meng, K. Zhang, A. Osvet, J. Zhang, W. Gruber, K. Forberich, B. Meyer, W. Heiss, T. Unruh, N. Li, C. J. Brabec, Joule 2022, 6, 458.

[80] P. Caprioglio, C. M. Wolff, O. J. Sandberg, A. Armin, B. Rech, S. Albrecht, D. Neher, M. Stolterfoht, Adv. Energy Mater. 2020, 10, 2000502.

[81] M. Jošt, Ž. Ajdič, M. Topič, ACS Appl. Mater. Interfaces 2024, 16, 62195.

[82] Z.-E. Shi, T.-H. Cheng, C.-Y. Lung, C.-W. Lin, C.-L. Wang, B.-H. Jiang, Y.-S. Hsiao, C.-P. Chen, Chem. Eng. J. 2024, 498, 155512.

[83] B. Orwat, Z.-E. Shi, C.-H. Ma, K. Jankowska, J. Nawrocik, A. Singh, Y.-H. Zheng, W.-C. Tu, Z. Ling, P. Dąbczyński, M. Rogala, P. Krukowski, P. J. Kowalczyk, P. Data, B. Łuszczyńska, I. Kownacki, C.-P. Chen, Small 2025, 21, 2411623.

RIGHTS & PERMISSIONS

2025 The Author(s). Energy & Environmental Materials published by John Wiley & Sons Australia, Ltd on behalf of Zhengzhou University.