Тандемные солнечные панели с КПД выше 30%: новый шаг к массовому производству

Слой хлорида цезия толщиной в несколько нанометров решил проблему неравномерного роста перовскита

Учёные из Берлинского центра материалов и энергии имени Гельмгольца (Helmholtz-Zentrum Berlin, HZB) нашли способ улучшить перовскит-кремниевые тандемные солнечные элементы и в то же время упростить их производство. С помощью ультратонкого слоя хлорида цезия исследователи смогли получить экспериментальный элемент с эффективностью преобразования солнечной энергии 30,3%.

Ключевое достижение заключается не только в высоком КПД. Перовскитовый слой исследователи накладывали методом вакуумного совместного испарения, без применения жидких растворителей.

Тандемный элемент сочетает стандартный кремниевый фотоэлемент и перовскитовый слой над ним. Они поглощают различные области солнечного спектра, что позволяет такой конструкции преобразовывать в электричество больше солнечного света по сравнению с традиционными кремниевыми элементами.

Тем не менее, перенос этой технологии из научной лаборатории в промышленное производство оказывается непростым. Проблема возникает уже на поверхности кремниевой пластины. Она покрыта микроскопическими структурами, уменьшающими отражение света, но из-за этой текстуры последующие слои трудно наносить равномерно.

Исследователи установили, что используемый для переноса положительных зарядов органический самособирающийся монослой распределяется по такой поверхности неравномерно. Молекулы сосредотачиваются в углублениях, а вершины микроструктур практически не покрываются. При нанесении перовскита это приводило к образованию йодида свинца, увеличению числа дефектов и формированию мелкозернистого неоднородного слоя. В результате ухудшались электрические характеристики элемента.

Проблему удалось решить с помощью исключительно тонкого промежуточного слоя хлорида цезия. Он компенсирует неоднородность покрытия и создает более подходящую поверхность для кристаллического формирования перовскита. Благодаря этому верхний фотоактивный слой становится более однородным и содержит меньше дефектов.

Дополнительное преимущество технологии — отсутствие растворителей. Многие лабораторные элементы изготавливаются с использованием растворителей, которые хорошо подходят для небольших образцов, но сложнее масштабируются на более текстурированные кремниевые пластины.

Вакуумное испарение в этом контексте выглядит более перспективным. Эта технология уже применяется в микроэлектронике и производстве OLED-дисплеев, позволяя наносить материалы на обширные площади. Кроме того, отсутствие растворителей снижает риск повреждения нижележащих слоев.

КПД 30,3% означает, что с той же площади такой солнечный элемент потенциально сможет вырабатывать значительно больше энергии, чем обычные кремниевые модули. Это особенно актуально для крыш и других объектов, где площадь для солнечных панелей ограничена.

Тем не менее, до появления таких элементов на рынке еще предстоит пройти долгий путь. На данный момент 30,3% — это результат лабораторной ячейки. Учёным необходимо доказать, что технология сохраняет эффективность и стабильность при увеличении размеров, выдерживает длительную эксплуатацию и остается экономически оправданной при массовом производстве.