Фотоэлектрическая система с тройным переходом и перовскит устанавливает новый рекорд

Создан тандемный солнечный элемент перовскит-перовскит-кремний площадью 16 квадратных сантиметров с эффективностью преобразования 23,3%.

Новый мировой рекорд солнечной энергии. Большая группа ученых из Австралии, Китая, Словении и Германии создала фотоэлектрическое устройство с тройным переходом, эффективность преобразования которого достойна Книги рекордов Гиннеса. Небольшой блок площадью 1 см2, способный преобразовать 27,06% падающего света в электричество.

Самый интересный элемент этой работы? Это тандемный солнечный элемент перовскит-перовскит-кремний, который показал как отличную стабильность во время тепловых испытаний, так и хорошую масштабируемость. Фактически, когда активная площадь была увеличена до 16 см2, эффективность оставалась выше 23%, что является самым высоким значением, когда-либо достигнутым с помощью этой технологии для такого размера.

«Это крупнейшее из когда-либо демонстрируемых устройств с тройным переходом на основе перовскита, которое было тщательно протестировано и сертифицировано независимыми лабораториями». сказала профессор Анита Хо-Бейли из Сиднейского университета, возглавлявшая команду. «Это дает нам дополнительную уверенность в том, что технологию можно адаптировать для практического использования».

Потенциал многопереходной фотогальваники

Многопереходная фотогальваника представляет собой наиболее многообещающий инструмент для преодоления традиционного предела Шокли-Кейссера. Как мы помним, этот предел устанавливает максимальную долю света, которую «идеальный» однопереходный солнечный элемент может преобразовать в электричество, на уровне 33,7%.

Тандемные фотоэлектрические элементы с двумя или более переходами обходят это препятствие, накладывая друг на друга полупроводниковые материалы с разной запрещенной зоной и, следовательно, способные преобразовывать разные участки солнечного спектра. Этот подход позволяет повысить теоретический предел эффективности примерно до 45% для ячеек с двойным соединением и примерно до 51% для ячеек с тройным соединением.

Металлогалогенидные перовскиты уже давно дебютировали в этих сэндвичах материалов. Благодаря врожденной простоте изготовления, которая, в свою очередь, способствует монолитной интеграции, а также возможности настройки запрещенной зоны по желанию.

Таким образом, мир исследований последовательно породил первую перовскит-перовскит-кремниевую ячейку в 2018 году (КПД 14,0%) и первую установку с тройным переходом, полностью выполненную из перовскита, в 2019 году (КПД 6,7%). В последующие годы время преобразования и стабильности увеличилось: с нескольких минут до сотен часов.

К сожалению, сутью этой технологии являются масштабируемость и устойчивость к стрессам окружающей среды. Именно этому уровню соответствует работа, проведенная Хо-Бейли и его коллегами.

Обновление конструкции перовскитных солнечных элементов

Команда сосредоточилась на поверхностных дефектах в верхнем перовскитном переходе, переработав химический состав материала и саму конструкцию ячейки. В частности, ученые заменили метиламмоний, обычно используемый в высокоэффективных, но нестабильных перовскитных элементах, на рубидий, создав широкополосную решетку перовскита, менее подверженную дефектам и деградации.

Чтобы устранить поверхностные дефекты в верхнем перовскитном переходе, они вместо этого применили обработку поверхности хлоридом пиперазин-1,4-диия, заменяя фторид лития (который также не очень стабилен). Наконец, чтобы соединить верхний и средний соединения перовскита, команда использовала наночастицы золота, нанесенные на оксид олова.

Результат? Фотоэлектрическое устройство с тройным переходом достигло эффективности 27,06% на активной площади 1 см2, впервые в мире пройдя испытание на термоциклирование Международной электротехнической комиссии (IEC), которое подвергает прототипы 200 циклам экстремальных изменений температуры от -40 до 85 градусов. Этот блок сохранил 95% своей эффективности после 407 часов непрерывной работы на свету.

После увеличения активной площади до 16 см2 прототип показал независимо сертифицированную эффективность преобразования 23,3%.

«Мы улучшили как производительность, так и устойчивость этих солнечных элементов», — сказал учитель. «Это не только демонстрирует, что можно создавать большие и стабильные перовскитовые устройства, но также подчеркивает огромный потенциал для дальнейшего повышения эффективности».

Прочитать статью «Разработка наноразмерных интерфейсов для солнечных элементов перовскит-перовскит-кремний с тройным переходом» опубликовано на Природные нанотехнологии (2025).