Китай встановив рекорд: тришарові перовскіти досягли ефективності 30,1%

Китайські вчені повідомили про важливий прорив у розвитку перовскітної сонячної енергетики. Дослідники Нанкінського університету спільно з фахівцями інших наукових установ розробили технологію, яка допомагає подолати одну з ключових проблем монолітних тришарових сонячних елементів. У результаті нова конструкція на основі виключно перовскітних матеріалів досягла ефективності перетворення сонячного світла на електроенергію на рівні 30,1%.

Цей показник є особливо важливим для багатоперехідних сонячних елементів, адже вони здатні використовувати ширший спектр сонячного випромінювання, ніж традиційні одношарові фотоелектричні пристрої. У тришаровій структурі кожен перовскітний шар має власну ширину забороненої зони та поглинає певну частину світла. Завдяки цьому енергія фотонів використовується ефективніше, а втрати під час перетворення зменшуються.

Китай встановив рекорд: тришарові перовскіти досягли ефективності 30,1%

Монолітні тришарові сонячні елементи складаються з кількох світлопоглинальних шарів, з’єднаних послідовно в одному пристрої. На відміну від механічно зібраних конструкцій, усі функціональні рівні в такій архітектурі формуються безпосередньо один поверх одного. Це дає змогу зменшити кількість додаткових контактів, спростити передачу заряду та потенційно зробити панелі тоншими й легшими.

Водночас створення повністю перовскітного тришарового елемента залишається складним завданням. Для верхнього шару необхідний матеріал із надширокою забороненою зоною приблизно 2,0 еВ. Він має пропускати частину спектра до нижніх шарів і водночас ефективно перетворювати високоенергетичні фотони. На практиці такі плівки часто мають неоднорідний склад, дефекти кристалічної ґратки та нестабільний розподіл галогенідів.

Саме ці недоліки негативно впливають на рух носіїв заряду. Електрони та позитивно заряджені носії можуть захоплюватися дефектами, через що частина енергії втрачається у вигляді тепла. Неоднорідність складу також провокує локальні зміни ширини забороненої зони. У результаті в активному шарі виникають небажані енергетичні ділянки, які знижують напругу та загальну ефективність сонячного елемента.

Щоб розв’язати цю проблему, науковці застосували поєднання двох підходів: реконструкції поверхні та гомогенізації галогенідів. Така стратегія спрямована не лише на покращення зовнішньої поверхні перовскітної плівки, а й на контроль її хімічного складу та кристалічної структури на мікроскопічному рівні.

Як працює технологія реконструкції поверхні

Перовскітні матеріали складаються з органічних або неорганічних катіонів, металів і галогенідів. Зміна співвідношення галогенідів дає змогу налаштовувати ширину забороненої зони, а отже, і спектральний діапазон поглинання. Однак суміш різних галогенідів може розподілятися в плівці нерівномірно. Під дією світла або електричного поля компоненти здатні переміщуватися, формуючи області з іншими електронними властивостями.

Технологія китайських дослідників призначена для вирівнювання такого розподілу. Під час обробки поверхні змінюється структура верхніх шарів матеріалу, а галогенідні компоненти розподіляються більш рівномірно. Це допомагає зменшити кількість локальних дефектів і послабити процеси, які призводять до розділення галогенідів під час роботи пристрою.

Одним із наслідків такої обробки стає покращення контакту між перовскітним абсорбером і шарами, що транспортують заряд. Коли межі між матеріалами мають менше дефектів, електрони та позитивні носії проходять через структуру з меншими втратами. Для багатошарової архітектури це принципово важливо, оскільки кожен додатковий перехід між матеріалами може стати джерелом рекомбінації зарядів.

Гомогенізація галогенідів також сприяє стабільнішій роботі надширокозонного перовскіту. Якщо склад активного шару залишається однорідним, зменшується ймовірність появи небажаних енергетичних пасток. Це позитивно позначається на напрузі холостого ходу, коефіцієнті заповнення та здатності елемента зберігати високі характеристики під освітленням.

Для тришарової конструкції кожен із цих параметрів має особливе значення. Навіть невеликі втрати у верхньому перовскітному шарі можуть погіршити роботу всієї системи, оскільки послідовно з’єднані підкомірки повинні працювати узгоджено. Тому контроль складу та поверхні надширокозонного матеріалу став одним із центральних напрямів дослідження.

Значення рекордної ефективності для сонячної енергетики

Досягнення ефективності 30,1% демонструє, що повністю перовскітні тришарові сонячні елементи поступово переходять від лабораторної концепції до технології з практичним потенціалом. Перовскіти приваблюють виробників можливістю створювати тонкі, легкі та гнучкі фотоелектричні модулі. Їх можна наносити на різні основи, а сам процес виготовлення потенційно потребує менше матеріалів і енергії, ніж виробництво традиційних кремнієвих пластин.

Багатошарові перовскітні елементи можуть бути корисними там, де важливі висока потужність на одиницю площі та мала маса конструкції. Йдеться про фасадні сонячні системи, легкі автономні пристрої, транспорт, переносну електроніку та спеціалізовані енергетичні установки. Вища ефективність також дає змогу отримувати більше електроенергії з обмеженої площі, що особливо актуально для міських об’єктів.

Водночас рекордний лабораторний показник ще не означає негайного масового виробництва. Перед комерціалізацією технологія має пройти випробування на довготривалу стабільність, вплив високої температури, вологості, ультрафіолетового випромінювання та багаторазових циклів освітлення. Не менш важливими залишаються масштабування процесу, відтворюваність результатів і зниження вартості матеріалів.

Для перовскітів особливим викликом є збереження однорідності плівки на великій площі. У лабораторному зразку дослідники можуть ретельно контролювати нанесення кожного шару, проте промислове виробництво потребує стабільної технології для квадратних метрів модулів. Реконструкція поверхні та гомогенізація галогенідів можуть стати важливою частиною такого процесу, якщо їх вдасться адаптувати до швидкого й недорогого нанесення.

Китайський результат також підкреслює перспективність інженерного підходу до перовскітних матеріалів. Для підвищення ефективності недостатньо просто змінювати хімічний склад абсорбера. Необхідно одночасно контролювати кристалічну структуру, стан поверхні, взаємодію між шарами та стабільність галогенідів. Саме комплексне вирішення цих завдань дає змогу зменшувати втрати та створювати ефективніші сонячні елементи.

Розробка Нанкінського університету та партнерських установ показує, що надширокозонні перовскіти можуть бути не слабкою ланкою, а основою для подальшого підвищення продуктивності багатоперехідних пристроїв. Якщо технологія підтвердить довговічність і придатність до масштабного виробництва, рекордна ефективність 30,1% стане важливим кроком до появи нового покоління тонкоплівкових сонячних модулів.

Подальші дослідження, ймовірно, будуть зосереджені на збільшенні площі елементів, покращенні стабільності та оптимізації меж між окремими перовскітними шарами. Успіх у цих напрямах визначить, наскільки швидко тришарові перовскітні сонячні елементи зможуть вийти за межі лабораторій і стати частиною реальної відновлюваної енергетики.