·
·
Технологии и наука
Китайские учёные разработали перовскитные тандемные солнечные элементы с КПД 30,3%, сохраняющие 92% эффективности после 1000 часов работы.
КПД в 30,3% в жёстких тандемных солнечных элементах из перовскита и 28% в гибких версиях — такого результата добилась группа исследователей под руководством докторов Гэ Цзыи и Лю Чана из Нинбоского института материаловедения и технологий (NIMTE) при Академии наук Китая (CAS). Учёные нашли способ контролировать кристаллизацию материалов в процессе производства, что позволило преодолеть порог в 30 процентов эффективности.
По мнению авторов, это открытие способно ускорить создание лёгких и высокоэффективных солнечных технологий, которые будут значительно дешевле и проще в производстве, чем традиционные кремниевые панели. «Результаты открывают путь к одновременному повышению эффективности и долговечности как жёстких, так и гибких устройств, продвигая разработку лёгких масштабируемых фотоэлектрических технологий», — отметили учёные.
Всеперовскитные тандемные солнечные элементы считаются одной из самых перспективных фотоэлектрических технологий, поскольку они способны улавливать солнечный свет эффективнее обычных однопереходных элементов. Кроме того, их можно производить методом низкотемпературной обработки растворов, что потенциально снижает затраты на изготовление. Однако асинхронная кристаллизация оставалась одной из главных проблем: разные участки многокомпонентных перовскитных плёнок часто кристаллизуются с разной скоростью, создавая структурные дефекты и неоднородность состава, что снижает эффективность и стабильность.
Чтобы решить эту задачу, команда разработала стратегию добавок на основе теории жёстких и мягких кислот и оснований (HSAB), которая предсказывает взаимодействие кислот и оснований. Исследователи ввели специально подобранные добавки как в широкозонные, так и в узкозонные перовскитные слои, чтобы синхронизировать зарождение кристаллов и их рост. Для широкозонных перовскитов использовалась добавка дифтор(оксалато)бората (DFOB⁻), а для узкозонных — тетрафторборат (BF4⁻).
Структурный и оптический анализ показал, что этот метод способствует однородному росту кристаллов и предотвращает перераспределение галогенидов, которое обычно вызывает дефекты и накопление напряжений внутри элементов.
Улучшения отразились и на общих характеристиках устройств. КПД широкозонных перовскитных элементов вырос с 18,5 до 20,1 процента, а узкозонных — с 21,6 до 23,3 процента. При интеграции в монолитные двухтерминальные тандемные структуры оптимизированный жёсткий элемент достиг пиковой эффективности 30,3% с напряжением холостого хода 2,16 вольта и коэффициентом заполнения 85,2%. Гибкие тандемные элементы также показали высокие результаты: КПД 28,2% с сертифицированным значением 28,0%.
Устройства продемонстрировали и высокую эксплуатационную стабильность — самый значимый и критический барьер для коммерческого внедрения перовскитных солнечных элементов (PSC). Оптимизированный жёсткий элемент сохранил 92% начальной эффективности после 1000 часов отслеживания точки максимальной мощности. Гибкие тандемы, в свою очередь, сохранили 95,2% исходной эффективности после 10 000 циклов изгиба.
Этот результат подчёркивает их потенциал для носимой электроники, лёгких энергосистем и гибких солнечных применений. «Данное исследование устанавливает общий химический принцип для регулирования кристаллизации в композиционно сложных перовскитных системах», — заключил исследователь в пресс-релизе. Работа опубликована в журнале Nature Nanotechnology.
