КПД солнечных батарей превысил 31%: как лезвийное покрытие меняет правила игры?

Разработка новых технологий в области возобновляемой энергии — это непрерывный процесс поиска более эффективных и устойчивых решений. Одной из самых перспективных областей в этом направлении является фотовольтаика, и недавний прорыв, совершенный учеными из Университета науки и технологий имени короля Абдаллы (Саудовская Аравия) совместно с исследователями из Центра Гельмгольца в Берлине, подтверждает это. Им удалось создать перовскитно-кремниевый солнечный элемент с рекордной эффективностью преобразования солнечной энергии в электричество — 31,2%.

Этот результат, опубликованный в журнале Joule, не только превосходит предыдущие достижения в этой области, но и открывает новые горизонты для развития солнечной энергетики. Ключевым фактором успеха стало использование тандемной структуры, объединяющей преимущества двух материалов: традиционного кремния и перовскита. Кремний, широко используемый в современной солнечной энергетике, эффективно поглощает фотоны в красной и инфракрасной областях спектра. Перовскит же, материал нового поколения, характеризуется высокой эффективностью преобразования фотонов в видимом диапазоне. Сочетание этих материалов в единой структуре позволяет максимально эффективно использовать широкий спектр солнечного излучения, что и приводит к повышению общей эффективности элемента.

Однако простое совмещение кремния и перовскита недостаточно для достижения рекордных показателей. Исследователи разработали инновационную архитектуру элемента, включающую двумерные и трехмерные слои перовскита. Двумерные слои, расположенные в нижней части элемента, служат своеобразным фильтром, поглощая фотоны с более высокой энергией и передавая остальную часть спектра трехмерным слоям. Такое разделение задач позволяет минимизировать энергетические потери и повысить эффективность преобразования энергии. Кроме того, двумерные слои перовскита способствуют улучшению стабильности элемента, что является критически важным фактором для его долгосрочной эксплуатации.

Для нанесения слоев материалов исследователи использовали метод покрытия лезвием (blade-coating), который отличается от более распространенного метода центрифугирования своей простотой, масштабируемостью и более низкой стоимостью. Это открывает возможности для массового производства высокоэффективных солнечных элементов с минимальными затратами. Blade-coating позволяет точно контролировать толщину и однородность наносимых слоев, что непосредственно влияет на эффективность работы элемента.

Важным показателем качества солнечных элементов является их стабильность в реальных условиях эксплуатации. Проведенные испытания показали, что новый перовскитно-кремниевый элемент сохраняет 80% своей начальной эффективности даже после 1700 часов непрерывного воздействия солнечного излучения. Это свидетельствует о высокой стабильности материалов и конструкции элемента, что является важным шагом на пути к созданию долговечных и надежных источников возобновляемой энергии.

Таким образом, разработка новой тандемной структуры с использованием двумерных и трехмерных слоев перовскита в сочетании с эффективным и масштабируемым методом производства открывает новые перспективы для развития солнечной энергетики. Высокая эффективность и стабильность нового элемента позволяют рассчитывать на его широкое применение в ближайшем будущем, способствуя переходу к более чистым и устойчивым источникам энергии.