Дослідники Нанкінського університету та партнерських установ Китаю представили прорив у розробці тришарових перовскітних сонячних елементів. Команда подолала критичне обмеження ефективності, яке раніше перешкоджало розвитку надширокозонних перовскітних плівок, створивши композицію з шириною забороненої зони 2,0 еВ.
Нова стратегія базується на реконструкції поверхні та гомогенізації галогенідів, що дозволило виробити сонячний елемент з ефективністю перетворення енергії 30,1% (сертифікована ефективність — 29,3%). За розрахунками дослідників, подібні монолітні конструкції дозволять у майбутньому досягти ефективності понад 35%.
Чому кремній вже недостатній
Традиційні кремнієві сонячні панелі натрапляють на фундаментальні фізичні обмеження, які унеможливлюють трансформацію основної частини сонячного випромінювання на електроенергію. Перовскіти пропонують альтернативний підхід — ці синтетичні матеріали допускають многошарове укладання для поглинання ширшого спектра довжин хвиль.
Проблема нерівномірного висихання та її розв’язання
Виробництво перовскітних плівок із надширокою забороненою зоною, збагачених бромом, супроводжується серйозною проблемою. Верхня поверхня висихає і кристалізується швидше, ніж нижня частина, що залишається вологою. Така невідповідність призводить до утворення твердої оболонки над рідким ядром, що спричиняє зморщування, тріщинування та розділення хімічних компонентів матеріалу. Наслідок — втрата енергії та значні втрати напруги.
Китайські дослідники застосували подвійну стратегію обробки:
- спеціальну обробку розчинником, яка змінює форму та вирівнює верхній шар матеріалу
- додавання невеликої кількості хлориду олеїламонію, яке змушує компоненти з бромом та йодом кристалізуватися одночасно
Такий комбінований підхід запобігає передчасному затвердінню поверхні й створює гладку, структурно однорідну плівку по всій товщині матеріалу.
Архітектура і показники тришарового елемента
Монолітна конструкція складається з трьох з’єднаних світлопоглинальних шарів, кожен з яких оптимізований для поглинання певної частини сонячного спектра:
- Верхній шар — шириною забороненої зони 2,0 еВ, досяг напруги холостого ходу 1,46 В
- Середній шар — 1,60 еВ, забезпечує відповідність сонячному спектру
- Нижній шар — 1,22 еВ, поглинає ближнє інфрачервоне випромінювання
Усунення поверхневих дефектів дозволило досягти однорідного поверхневого потенціалу, пригнічену безвипромінювальну рекомбінацію та підвищену рухливість носіїв заряду. У результаті рекордна ефективність перовскітних елементів склала 30,1% з незалежною сертифікацією на рівні 29,3%.
Довговічність і перспективи масштабування
Сонячний елемент продемонстрував видатну стабільність: після 569 годин безперервної роботи на максимальній потужності в умовах імітованого сонячного випромінювання він зберіг понад 90% початкової ефективності.
Наступні етапи дослідження спрямовані на зменшення втрат напруги, оптимізацію коефіцієнта заповнення, узгодження струмів та збільшення розмірів пристрою. Особливу увагу команда приділятиме стійкості до радіації, ультрафіолету, вакууму та температурних циклів — з огляду на потенційне використання в космічних місіях.
Оскільки технологія не потребує важких кремнієвих пластин, вона відкриває можливості для створення надлегких, гнучких сонячних модулів для комерційних дахів, носимих пристроїв та супутників.
