Исследователи из Китайской академии наук достигли нового мирового рекорда в области тандемных солнечных элементов, сочетающих перовскиты и органические полупроводники. Команда под руководством академика Ли Юнфан и исследователя Мэн Леи добилась подтвержденной эффективности преобразования энергии в состоянии стационарного режима на уровне 28,04 процента.
Этот результат, опубликованный в журнале Nature, подтверждает, что Китай занимает лидирующие позиции в развивающемся направлении фотовольтаики, которое объединяет два полупроводника, обрабатываемых раствором, в единую тандемную структуру.
Увеличение производительности было достигнуто благодаря решению проблемы фазового разделения галогенидов, которая долгое время являлась серьезной проблемой для перовскитов с широкой запрещенной зоной. При освещении смешанные галогенидные перовскиты склонны распадаться на фазы, богатые йодом и богатые бромом, что приводит к снижению напряжения холостого хода и ухудшению характеристик со временем.
Команда CAS предложила стратегию подавления на протяжении всего жизненного цикла, которая координирует пассивацию дефектов на этапах подготовки материала, роста пленки и эксплуатации. Это предотвращает возникновение разделения и останавливает его распространение, если оно все же происходит.
Помимо заявленной высокой эффективности, ячейка сохранила 90 процентов своей первоначальной эффективности после 625 часов непрерывного освещения, что является исключительно сильным показателем стабильности. Хотя для окончательного подтверждения требуются длительные испытания на открытом воздухе и ускоренные стресс-тесты, полученный результат позволяет инженерным группам начать масштабирование устройства до форм-факторов модулей и панелей.
Архитектура также обеспечивает хорошее взаимодействие между двумя подячейками: верхний слой перовскита с широкой запрещенной зоной фильтрует ультрафиолетовое излучение, которое могло бы повредить нижний органический слой. В свою очередь, гидрофобность нижнего органического слоя замедляет проникновение влаги в верхний перовскитный слой, создавая эффект «больше двух» как для покрытия спектра, так и для устойчивости к окружающей среде.
Стратегическая значимость технологии заключается в ее производственных возможностях. Как перовскиты, так и органические полупроводники могут осаждаться из раствора с использованием таких методов, как струйная печать или нанесение слоем через слот, которые являются непрерывными процессами, аналогичными тем, что используются в печати газет. Поскольку активные слои обычно имеют толщину в микрометры или меньше, получаемые устройства могут быть гибкими, складными и прилегать к изогнутым поверхностям, открывая возможности, недоступные для жесткого кремния.
Первичным рынком естественным образом становятся фотоэлектрические системы, интегрированные в здания, включая изогнутые крыши, навесы для окон и гибкие фасады. Вторым направлением являются носимая электроника, легкие дроны и аэрокосмические поверхности. Наиболее амбициозным является космический сектор. Солнечные батареи для спутников ограничены по весу, поэтому критически важна высокая удельная мощность, то есть ватты на килограмм. Гибкая пленка, которую можно свернуть для хранения и развернуть на орбите, могла бы снизить массу развертываемых солнечных крыльев и соответствовать изогнутым корпусам.
Команда подчеркивает, что радиационная стойкость, вакуумная стабильность и экстремальные термические циклы еще требуют квалификации на орбите. Дорожная карта предусматривает переход от высокоэффективных ячеек малой площади к крупноплощадным субмодулям, затем к гибким модулям и, наконец, к демонстрациям, специфичным для конкретных применений. Рекорд в 28,04 процента служит отправной точкой для этого плана, а не конечной целью.
