Перовскитные солнечные панели поставили новый рекорд эффективности: что это значит для энергетики будущего

Учёные из Германии совершили важный шаг в развитии солнечной энергетики. Международная команда исследователей из Центра имени Гельмгольца в Берлине (HZB) создала перовскитный солнечный элемент нового поколения, который показал рекордные результаты сразу по двум ключевым параметрам: эффективности и долговечности. Новая разработка приближает перовскитные солнечные панели к тому моменту, когда они смогут по-настоящему конкурировать с привычными кремниевыми панелями на рынке массового производства. Разберёмся, в чём суть этого открытия и почему оно важно для будущего возобновляемой энергетики.

В чём суть открытия

Исследователи создали трёхслойный солнечный элемент — устройство, где друг на друга уложены сразу три разных перовскитных полупроводника, каждый из которых настроен на поглощение своей части солнечного спектра. Такая многослойная конструкция позволяет использовать энергию солнца намного полнее, чем это делает один-единственный слой материала.

Главная техническая находка команды — это не сами перовскиты, а тонкая прослойка между слоями. Раньше между слоями солнечного элемента использовали полимерный материал PEDOT:PSS, который довольно быстро изнашивался и плохо пропускал свет, теряя часть энергии. Учёные заменили его на комбинацию из двух компонентов: оксида графена и так называемого самоорганизующегося монослоя (сверхтонкого органического покрытия толщиной всего в одну молекулу).

По отдельности такой монослой плохо справлялся с переносом электрического заряда внутри оловянно-свинцового перовскита. Но когда под него добавили слой оксида графена, ситуация изменилась кардинально, потому что контакт между слоями стал более ровным и стабильным, а оптические потери резко снизились.

Какие результаты показал новый элемент

Благодаря новой прослойке солнечный элемент показал коэффициент полезного действия 27,3% — это один из лучших результатов, зафиксированных для тройных перовскитных элементов. Но куда важнее другое, элемент проработал более 770 часов непрерывно и при этом сохранил свыше 90% первоначальной эффективности. Это новый рекорд стабильности для подобной архитектуры солнечных элементов.

Дело в том, что оловянно-свинцовые перовскиты особенно чувствительны к кислороду и влаге, при контакте с воздухом они быстро разрушаются. Новая двухслойная прослойка сработала как герметичный защитный барьер, который надёжно изолирует хрупкий полупроводниковый слой от внешней среды. Именно эта защита и стала причиной рекордной продолжительности стабильной работы.

По словам руководителя исследования профессора Штеве Альбрехта, дальнейшее улучшение качества отдельных перовскитных слоёв и соединительных плёнок может поднять эффективность выше 30%.

Кремниевые солнечные панели уже несколько десятилетий доминируют на рынке, но их эффективность приближается к физическому пределу, теоретический максимум для кремния составляет около 29%. Перовскитные полупроводники, в отличие от кремния, дешевле в производстве, требуют меньше материала и энергии на изготовление, а также значительно легче по весу. Их можно наносить даже на гибкие поверхности, например, пластик или ткань, что открывает возможности для применения их там, где обычные жёсткие панели просто не подходят.

Долгое время именно недолговечность сдерживала перовскитные технологии от массового внедрения, лабораторные образцы теряли эффективность спустя считаные часы или дни работы. Новый результат показывает, что эту проблему постепенно удаётся решать инженерными методами, не жертвуя при этом высоким КПД.

Заключение

Разработка команды из Гельмгольц-центра в Берлине — это важное доказательство того, что перовскитные солнечные технологии двигаются от лабораторных экспериментов к практическому применению. Сочетание рекордной эффективности в 27,3% и устойчивой работы более 770 часов подряд говорит о том, что барьер долговечности, который годами тормозил развитие этой технологии, постепенно преодолевается. Если учёным удастся и дальше совершенствовать качество перовскитных слоёв, солнечные панели нового поколения могут стать более дешёвой, лёгкой и эффективной альтернативой традиционным кремниевым панелям, а значит, приблизить переход на чистую энергию для миллионов домов и предприятий по всему миру.