Перовскит-кремниевый тандемный солнечный элемент установил новую планку: в лаборатории чемпионский образец показал эффективность преобразования 34,0% при напряжении холостого хода 1,997 В, а независимая сертификация подтвердила стабильную эффективность 33,5% и рекордное напряжение 2,014 В. При этом устройство сохранило 84% начальной производительности после 2000 часов непрерывной работы под солнечным светом.
Результат получила команда Сучжоуского университета (Soochow University) совместно с исследовательским центром LONGi. Работа опубликована в журнале Science Bulletin, а секрет прорыва — в наноразмерном «каркасе» из частиц диоксида циркония, встроенном химиками между слоями элемента.
- 34,0% лабораторной эффективности чемпионского образца и 33,5% — независимо сертифицировано
- Напряжение холостого хода 2,014 В по сертификации — одно из наивысших для данного класса элементов
- 84% исходной мощности после 2000 часов под одним «солнцем» в режиме MPPT
- Время жизни носителей заряда выросло с 1,46 до 2,81 мкс
Что именно сделали в Сучжоу
Тандемный элемент объединяет перовскитную верхнюю ячейку с широкой запрещённой зоной и кремниевую нижнюю — такая конструкция позволяет поглощать более широкий спектр солнечного света, чем классический кремниевый модуль. Проблема этих устройств хорошо известна: перовскитная плёнка неравномерно растёт на текстурированной поверхности кремния, а на границе со слоем транспорта дырок происходит безызлучательная рекомбинация, которая «съедает» потенциальное напряжение.
Группа под руководством профессоров Цзяна Лю и Сяохун Чжан, доктора Хунбо Мо (Soochow University) и доктора Бо Хе (LONGi) встроила отдельные частицы моноклинного диоксида циркония (ZrO₂) между прозрачным проводящим оксидом и самоорганизованным монослоем. Образовалась прерывистая наноструктура — своего рода микроскопический каркас, который не блокирует прохождение зарядов.
ZrO₂ выполняет двойную функцию. Во-первых, изменяет поверхностную энергию, благодаря чему жидкий прекурсор перовскита равномернее растекается по подложке — плёнка получается плотной, с крупными зёрнами и без пустот. Во-вторых, локальные цирконийсодержащие участки создают полевой эффект, подавляющий рекомбинацию, тогда как «свободные» участки монослоя остаются открытыми для быстрого отвода дырок.
Почему 2,014 В — это важно
Напряжение холостого хода напрямую отражает, сколько полезной работы способен совершить каждый фотон. В тандемах перовскит-кремний этот показатель долго не дотягивал до значений, которые предсказывала теория, — именно из-за потерь на границах слоёв. По данным Solar Now (via EurekAlert), сертифицированного рекорда 2,014 В удалось достичь благодаря одновременному подавлению рекомбинации и сохранению быстрого транспорта зарядов.
Чемпионский образец показал также плотность тока короткого замыкания 20,36 мА/см² и коэффициент заполнения 83,62% — параметры, свидетельствующие о высоком качестве электрического поведения элемента. Спектроскопические измерения подтвердили механизм: среднее время жизни носителей заряда в перовскитной плёнке выросло почти вдвое, с 1,46 до 2,81 мкс.
Что это означает для рынка и для потребителя
Это означает, что с той же площади крыши или участка потенциально можно снимать больше электроэнергии — критически важно для стран с дефицитом площадей под солнечные станции.
Для домохозяйств и бизнеса, которые массово устанавливают панели в связке с накопителями, появление тандемных модулей в перспективе способно поднять мощность с той же площади без увеличения занимаемого пространства. Примечательно, что соавтор исследования LONGi — один из крупнейших производителей солнечных панелей в мире, с опытом масштабирования новых технологий в промышленное производство. Главным вопросом остаётся стабильность: 84% после 2000 часов — многообещающий результат, и именно долговечность станет ключевым испытанием для тандемных технологий. Смежные работы над гибкими перовскитными батареями и концентраторными модулями повышенной эффективности показывают, что отрасль приближается к новому рубежу сразу с нескольких направлений.
Часто задаваемые вопросы
Когда такие тандемы появятся на крышах?
Авторы работы демонстрируют лабораторный образец, а LONGi — индустриальный партнёр с опытом масштабирования. Сроки коммерциализации будут зависеть от дальнейших испытаний на долговечность и от стоимости производства.
Чем тандем отличается от обычной кремниевой панели?
В тандеме два фотоактивных слоя: верхний перовскитный поглощает видимый свет, нижний кремниевый — инфракрасное излучение. Это позволяет извлекать из того же солнечного потока больше электроэнергии, чем в однослойном кремниевом элементе.
Источники: Solar Now (via EurekAlert)