Китайские исследователи совершили важный прорыв в солнечной энергетике. Они разработали новый способ управления кристаллизацией перовскитов и впервые в мире вывели полностью перовскитные тандемные солнечные элементы за критическую отметку в 30% эффективности. Теперь лёгкие, гибкие и недорогие панели могут конкурировать с традиционными кремниевыми по отдаче энергии, при этом оставаясь проще и дешевле в производстве.
Руководители проекта — доктор Гэ Цзыи (Ge Ziyi) и доктор Лю Чан (Liu Chang) из Института материаловедения и инженерии Нинбо (NIMTE) Китайской академии наук. Их команда получила сертифицированную эффективность 30,3% для жёстких панелей и 28% — для гибких. Учёные уверены, что это открытие ускорит переход к лёгким высокоэффективным солнечным технологиям, которые можно будет использовать везде — от крыш домов до носимой электроники.
Синхронизация кристаллизации
Главная проблема перовскитных тандемных ячеек всегда заключалась в асинхронной кристаллизации. Во время изготовления разные слои плёнки затвердевают с разной скоростью, что приводит к дефектам, неравномерному распределению компонентов и быстрой деградации.
Чтобы решить эту задачу, исследователи применили стратегию добавок, основанную на теории жёстких и мягких кислот и оснований (HSAB). Они ввели специально подобранные присадки в оба слоя — широкозонный и узкозонный перовскит. Для широкозонного использовали дифтор(оксалато)борат (DFOB⁻), для узкозонного — тетрафторборат (BF₄⁻). Эти добавки синхронизировали процессы зарождения и роста кристаллов, сделали плёнку однородной и подавили перераспределение галогенов — главную причину внутренних напряжений и дефектов.
Результаты структурного и оптического анализа подтвердили: кристаллы растут равномерно, а вертикальное фазовое распределение стало гораздо лучше. Благодаря этому эффективность отдельных слоёв выросла: широкозонные элементы — с 18,5% до 20,1%, узкозонные — с 21,6% до 23,3%.
Рекордные цифры и впечатляющая стабильность
Когда оба оптимизированных слоя объединили в монолитную двухтерминальную тандемную конструкцию, жёсткая панель достигла пиковой эффективности 30,3 % при напряжении холостого хода 2,16 В и коэффициенте заполнения 85,2%. Гибкие версии показали 28,2% (сертифицировано 28,0%).
Но самое важное — стабильность, которая всегда была самым слабым местом перовскитов. Жёсткие устройства сохранили 92 % начальной эффективности после 1000 часов работы на максимальной мощности. Гибкие панели выдержали 10 000 циклов изгиба и потеряли всего 4,8% производительности. Это открывает дорогу к применению в носимой электронике, лёгких портативных системах питания и гибких солнечных покрытиях.
«Наше исследование устанавливает общий химический принцип регулирования кристаллизации в сложных многокомпонентных перовскитных системах», — отметили авторы в пресс-релизе.
Работа опубликована в журнале Nature Nanotechnology.
