Уявіть собі сонячну панель не як важку скляну плиту на даху, а як тонку гнучку плівку, яку можна «надрукувати» на пластик і приклеїти до вікна чи рюкзака. Саме така крихка на вигляд структура в роботі китайських дослідників показала те, що ще недавно здавалося справою лише масивних кремнієвих панелей: рекордну ефективність перетворення світла на електрику 28,04%. Про це розповідає матеріал видання Interesting Engineering.
Що відомо коротко
- Китайська команда створила перовскіт-органічну тандемну сонячну комірку з рекордним сертифікованим ККД 28,04%.
- Комірка зберегла 90% початкової ефективності після 625 годин безперервного освітлення за протоколом ISOS-L-1.
- Стабільність забезпечує світлочутлива добавка TDB, яка вирівнює склад під час кристалізації та «заліковує» межі зерен під дією світла.
- Окрема широкозонна перовскітова комірка з TDB досягла ККД 20,01%, напруги холостого ходу 1,42 В і коефіцієнта заповнення 85,13%.
- Тонкоплівковий формат дозволяє наносити такі елементи на гнучкий пластик, відкриваючи шлях до «сонячних» вікон, одягу та портативних гаджетів.
Чому «сендвіч» із шарів перемагає кремнієву плиту
Звичні кремнієві панелі — це щось на кшталт товстої, важкої цеглини: надійно, але громіздко й дорого у виробництві. Тандемні сонячні комірки працюють за іншим принципом — вони більше схожі на багатошаровий клубний сендвіч.
У такому «сендвічі» кожен шар зроблений з іншого матеріалу й «полює» на свою ділянку сонячного спектра. Один шар краще поглинає синє та ультрафіолетове світло, інший — червоне та ближнє інфрачервоне. Разом вони збирають значно більше енергії з того ж самого променя, ніж один-єдиний кремнієвий шар.
У новій розробці верхній шар — це широкозонний (wide-bandgap) перовскіт, а нижній — органічна сонячна комірка. Перовскіт «знімає вершки» з більш енергійного світла, а органічний шар добирає те, що пройшло крізь нього. Так досягається вражаючий сумарний ККД.
Як добавка TDB приборкала нестабільний перовскіт
Широкозонні перовскіти — перспективні, але примхливі. Щоб вони поглинали потрібну частину спектра, до складу додають багато брому (Br). Це робить матеріал схильним до структурної нестабільності: під час виробництва елементи змішуються нерівномірно, а під дією світла відбувається так звана «сегрегація галогенідів» — компоненти починають розшаровуватися, і комірка деградує.
Дослідники запропонували елегантне рішення — світлочутливу добавку TDB, яка працює в два етапи, немов двоетапний захист.
На першому етапі, під час кристалізації, TDB сповільнює швидке «випадання» брому в осад. Це дає часу достатньо, щоб усі хімічні елементи рівномірно перемішалися перед запіканням плівки. Результат — однорідний перовскіт без «острівців» з іншим складом.
На другому етапі, коли готова комірка вже працює на сонці, молекули TDB змінюють свою структуру під дією світла й починають міцно зв’язуватися з межами зерен перовскіту. Ці межі — як мікротріщини в асфальті, через які «тікають» іони та виникають дефекти. TDB фактично «заліковує» ці слабкі місця, блокує міграцію іонів і не дає матеріалу розповзатися з часом.
Завдяки такій хімічній «армувальній сітці» окрема широкозонна перовскітова комірка з TDB досягла ККД 20,01%, високої напруги холостого ходу 1,42 В і коефіцієнта заповнення 85,13% — дуже сильні показники для тонкої плівки.
Рекордний тандем і випробування на витривалість
Коли цю стабілізовану перовскітову комірку поєднали з органічною нижньою коміркою в єдину монолітну тандемну структуру, система вийшла на піковий ККД 28,80%. Сертифікований стабільний ККД при тривалій роботі склав 28,04%, що робить її однією з найефективніших тонкоплівкових сонячних технологій.
Ще один важливий тест — довговічність. За протоколом ISOS-L-1 комірку безперервно освітлювали протягом 625 годин. Після цього вона зберегла 90% своєї початкової ефективності. Для матеріалу, який ще кілька років тому вважали надто нестабільним для реального застосування, це суттєвий крок уперед.
На відміну від кремнієвих пластин, такі тонкоплівкові елементи можна наносити на гнучкий пластик при низьких температурах, майже як друк фарбою. Це відкриває можливість інтегрувати сонячні елементи в повсякденні об’єкти — від фасадів хмарочосів до одягу та туристичного спорядження.
Де можуть працювати надтонкі сонячні плівки
Тонкоплівкові перовскіт-органічні комірки мають ще одну сильну сторону — співвідношення потужності до ваги. Вони надзвичайно легкі, але при цьому здатні видавати багато енергії з кожного грама матеріалу.
Це робить їх привабливими не лише для міських фасадів чи портативної електроніки, а й для космосу. На супутниках і апаратах для далеких космічних місій кожен грам на рахунку, тож ультралегкі «сонячні плівки» можуть стати важливим джерелом живлення.
Паралельно з китайською розробкою вчені в Німеччині також рухаються в тому ж напрямку. Команда з Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) та Гумбольдт-університету в Берліні створила власну тандемну сонячну комірку з ККД 25,5%, про що повідомляється в публікації в журналі Nature. Це показує, що гонка за наступним поколінням чистої енергії йде одразу на кількох фронтах.
FAQ
Це вже готова технологія для масового ринку чи поки лабораторний прототип?
Описані результати отримані в умовах дослідницької лабораторії, де можна точно контролювати склад і умови тестування. Щоб така комірка з’явилася на дахах і в гаджетах, потрібно ще масштабувати виробництво, перевірити стабільність у реальних погодних умовах і знизити вартість процесу.
Чим ці тандемні комірки відрізняються від уже відомих перовскітових елементів?
Звичайні перовскітові елементи складаються з одного активного шару й обмежені тим, яку частину спектра вони можуть ефективно поглинати. У тандемній структурі перовскіт поєднується з органічною коміркою, і кожен шар працює зі «своїм» діапазоном довжин хвиль. Це дозволяє підняти ККД до рівня, який раніше був недосяжний для тонкоплівкових технологій.
Чому стабільність перовскітів вважається такою великою проблемою?
Перовскіти чутливі до вологи, кисню, температурних коливань і навіть до самого світла, яке вони мають перетворювати. Через це їхні характеристики можуть швидко погіршуватися. Робота з добавкою TDB показує один із шляхів, як хімічно «укріпити» матеріал і зробити його придатнішим для тривалої експлуатації.
Чи можуть такі тонкоплівкові елементи повністю замінити кремнієві панелі?
Поки що йдеться радше про доповнення, ніж про повну заміну. Кремній має перевірену десятиліттями надійність і відпрацьоване масове виробництво. Тонкоплівкові тандемні елементи можуть зайняти ніші, де важливі гнучкість, мала вага й можливість інтеграції в поверхні, недоступні для традиційних панелей.
🤯 Те, що колись виглядало як крихка лабораторна плівка, дедалі більше перетворюється на реального конкурента важким кремнієвим панелям — і це змушує по-новому подивитися на те, де саме ми можемо «поселити» сонячну енергію: від скла хмарочосів до одягу й космічних апаратів.