Китайские исследователи из Циндаоского института биоэнергетики и биопроцессинга (QIBEBT) совершили прорыв в области солнечной энергетики, разработав метод, позволяющий значительно повысить эффективность и стабильность так называемых инвертированных перовскитных солнечных элементов.
Ученым удалось решить проблему «скрытого интерфейса» — микроскопического слоя, расположенного глубоко внутри структуры элемента, который традиционно являлся слабым местом, где «умирают» эффективность и стабильность устройства.
Этот скрытый интерфейс, находящийся между перовскитом и нижележащим слоем, отвечающим за перенос заряда, крайне сложно поддается контролю. Из-за его нестабильности в инвертированных элементах часто возникают электронные дефекты и нарушения структурной целостности. Команда под руководством профессора Пан Шупина и доктора Сунь Сюхуна предложила инновационное решение — метод «кристалл-сольватной» предварительной затравки.
Суть метода заключается в использовании специально разработанных нанокристаллов, которые наносятся на подложку, обработанную самоорганизующимся монослоем. Эти нанокристаллы выполняют функцию шаблона, направляя рост кристаллов перовскита снизу вверх. Палочкообразная форма CSV-нанокристаллов решает сразу две задачи: улучшает смачиваемость гидрофобных поверхностей для равномерного нанесения покрытия и создает плотные центры кристаллизации, ускоряющие рост. Ключевой инновацией стал эффект «решеточного отжига растворителем», при котором захваченные молекулы медленно высвобождаются в процессе нагрева, «залечивая» дефекты и реорганизуя кристаллическую структуру непосредственно на нижнем интерфейсе.
Этот синергетический процесс позволяет сформировать перовскитный слой не только быстро, но и с превосходной структурой, лишенной типичных для этого интерфейса пустот.
«Мы разработали комплексный подход, который одновременно решает задачи регулирования кристаллизации и стабилизации интерфейса. Эта стратегия обеспечивает высокую производительность даже на тех скрытых поверхностях, которые традиционно сложнее всего поддаются контролю», — прокомментировала разработку доктор Сунь Сюхун.
Важнейшим достижением стало то, что метод, успешно работающий в лабораторных условиях, показал свою эффективность и при масштабировании. Исследователи создали мини-модуль площадью почти 50 квадратных сантиметров, который продемонстрировал впечатляющую эффективность преобразования энергии в 23,15%. При этом потеря эффективности при переходе от крошечного тестового элемента к крупному модулю составила менее трех процентов, что является значительным успехом на пути к массовому производству таких панелей. Помимо солнечной энергетики, предложенная технология может найти применение в создании полупроводников и светоизлучающих устройств.
В свою очередь, исследователи из Академии наук Китая (CAS) установили новый мировой рекорд эффективности для солнечных элементов на основе кестерита, достигнув показателя в 15,45%. В ходе испытаний разработанный командой фотоэлемент продемонстрировал эффективность преобразования энергии 15,45%, а также получил международный сертифицированный показатель эффективности 15,04%, что, по словам ученых, открывает путь к коммерциализации солнечных батарей нового поколения на основе этого материала.
Кестерит, природный минерал, состоящий из меди, цинка, олова и серы (CZTS), считается перспективным материалом для тонкопленочных солнечных элементов благодаря своей распространенности, нетоксичности и низкой стоимости производства. Как отмечает издание PV Magazine, в будущем не ожидается перебоев с поставками кестерита, что делает его более предпочтительным кандидатом по сравнению с соединениями CIGS, где прогнозируется дефицит. Однако ранее кестерит уступал CIGS в эффективности при массовом производстве, а попытки полностью реализовать его потенциал сдерживались дефектами, возникающими в процессе изготовления.
Предыдущий мировой рекорд для кестеритовых элементов составлял 14,2% и был установлен той же командой CAS в июне 2024 года. Чтобы добиться нового рекорда, исследователи решили ключевую техническую проблему — неконтролируемую миграцию ионов металлов, при которой подвижные ионы меняются местами внутри кристаллической решетки, создавая дефекты, снижающие эффективность, вызывающие постепенную деградацию и ухудшающие стабильность и долговременную надежность.
Для преодоления этой проблемы команда предложила новый механизм, использующий фазовое равновесие на границе раздела, и разработала межфазный слой на основе соединения сульфида лития и олова, известного как Li₂SnS₃ (LTS). Этот слой изменяет пути миграции катионов, уравновешивает различия в миграции меди и олова и стабилизирует переход, повышая эффективность и надежность. Как пояснили в CAS, замедление кинетики реакций с помощью LTS-прослойки обеспечивает более контролируемый рост зерен, способствуя формированию более крупных и однородных зерен, что значительно уменьшает глубокие дефекты и улучшает общее качество кристаллической структуры.
Испытания нового элемента в стандартных условиях освещения показали эффективность 15,45% и напряжение холостого хода, превышающее 600 мВ при ширине запрещенной зоны 1,10 эВ, что, по мнению ученых, является необычно высоким напряжением для этого материала и свидетельствует о преодолении давних проблем с потерями энергии. В связи с новым прорывом команда CAS также объявила о создании портфеля интеллектуальной собственности, охватывающего весь процесс с использованием LTS, что обеспечит поддержку для будущей индустриализации солнечных элементов на основе CZTSSe.
