Учёные повысили эффективность перовскитных солнечных элементов до 26,25%

Исследователи из Корейского университета, Университета Толедо и Сеульского национального университета представили новую технологию формирования перовскитных плёнок для солнечных элементов, которая позволила одновременно повысить эффективность устройств и улучшить их долговечность — одну из главных проблем перовскитной энергетики. Результаты разработки опубликованы в журнале Nature Energy.

Перовскиты считаются одним из наиболее перспективных материалов для солнечной энергетики нового поколения. Они способны преобразовывать свет в электричество с высокой эффективностью, при этом потенциально дешевле и технологически гибче традиционных кремниевых панелей. Однако широкому внедрению технологии до сих пор мешают нестабильность материала и постепенная деградация солнечных элементов при эксплуатации.

Авторы новой работы сосредоточились на качестве кристаллической структуры перовскитных плёнок — именно она во многом определяет эффективность и срок службы устройства. Дефекты внутри материала создают так называемые ловушки заряда, снижают КПД и ускоряют разрушение структуры.

В ходе исследования учёные изучали взаимодействие двухмерных (2D) и трёхмерных (3D) перовскитов. Команда обнаружила, что даже простой контакт между двумя типами материалов способен изменять свойства 3D-перовскита на молекулярном уровне.

По словам одного из авторов работы, профессора Чжун Хон Но, взаимодействие между органическими компонентами 2D- и 3D-структур приводило к перестройке кристаллического порядка и улучшению структуры материала. Первоначально исследователи ожидали, что для такого эффекта потребуется давление или высокая температура, однако изменения происходили уже при непосредственном контакте слоёв.

Позднее команда усилила эффект дополнительной термообработкой после контакта материалов. Это позволило добиться ещё более упорядоченного состояния кристаллической решётки.

Технологию протестировали на перовските FAPbI₃ — одном из ключевых материалов для высокоэффективных солнечных элементов. Обычно для улучшения кристаллизации таких плёнок используют специальные химические добавки, однако исследователи заявили, что смогли добиться высокой кристалличности без их применения.

По данным авторов, полученные плёнки приблизились к теоретически идеальным параметрам кристаллической структуры и продемонстрировали повышенную устойчивость к переходу в нестабильную неперовскитную фазу — одному из основных механизмов деградации материала.

После интеграции новых плёнок в реальные солнечные элементы устройства достигли эффективности 26,25%. Одновременно ускоренные испытания показали срок стабильной работы около 24 тыс. часов.

Авторы подчёркивают, что сочетание высокой эффективности и долговечности остаётся ключевым вызовом для всей перовскитной отрасли. Многие существующие подходы позволяют повысить КПД, но при этом создают дополнительные риски для долгосрочной стабильности устройств.

По мнению исследователей, новый метод контактно-индуцированной кристаллизации может стать важным шагом к промышленному производству более устойчивых перовскитных солнечных элементов. Дополнительным преимуществом технологии они называют возможность масштабирования и получения крупных плёнок с меньшим количеством дефектов.

В дальнейшем команда планирует адаптировать технологию для тандемных солнечных элементов и низкотемпературных процессов, где особенно сложно формировать качественные кристаллические структуры.