Физики сократили выпуск тандемных ячеек до 10 минут
Учёные из Технологического института Карлсруэ и Университета Валенсии предложили способ быстрее выпускать перовскитно-кремниевые тандемные солнечные элементы. Новый вакуумный метод наносит рабочий перовскитный слой примерно за 10 минут и, по замыслу авторов, лучше подходит для заводской линии, чем многие лабораторные процессы с жидкими растворами.
Речь идёт о тандемной схеме, где поверх кремниевой ячейки формируется второй светопоглощающий слой. Такая архитектура нужна не ради красоты конструкции. Кремний уже близок к пределу эффективности для однопереходных элементов, поэтому производители ищут прибавку в доли процента там, где её ещё можно получить технологией, а не маркетингом.
В опытах исследователи получили КПД 23,5% на гладких пластинах, 23,7% на наноструктурированных и до 24,3% на промышленных текстурированных подложках. Для сравнения, массовые кремниевые модули на рынке обычно работают в диапазоне около 20-23%, а лучшие лабораторные тандемные образцы у крупных игроков, включая LONGi и Oxford PV, уже выходили за отметку 30%. Проблема в том, что рекорд в лаборатории и повторяемый выпуск на фабрике живут в разных мирах.
Авторы делают ставку именно на повторяемость. Органические материалы испаряются в вакууме, проходят короткое расстояние и осаждаются на кремниевой пластине в виде ровного слоя. Важная деталь для производства в том, что процесс можно применять к разным типам кремниевых пластин без сложной перенастройки оборудования.
Экономия и себестоимость тандемных ячеек
У тандемных ячеек есть старая болезнь: высокий потенциал по КПД сочетается с дорогим и капризным производством. Если новый метод действительно снижает расход материалов и позволяет повторно использовать часть компонентов, он бьёт сразу по двум слабым местам технологии, по себестоимости и по скорости цикла. Для солнечной отрасли это важнее красивого рекорда в научной статье.
Сейчас рынок солнечной генерации растёт быстрее, чем успевают дешеветь новые архитектуры ячеек. По оценкам Международного энергетического агентства, в 2024 году в мире ввели около 600 ГВт новых солнечных мощностей, и львиная доля пришлась на обычный кремний. Чтобы тандемы заняли заметную долю, им нужно не только показывать высокий КПД, но и встраиваться в существующие линии с минимальной переделкой.
На этом фоне работа европейских физиков выглядит как попытка решить именно производственную часть задачи. Oxford PV уже несколько лет продвигает коммерциализацию перовскитно-кремниевых элементов, а китайские производители параллельно наращивают лабораторные результаты и пилотные мощности. Конкуренция идёт не за саму идею тандемной ячейки, а за первый масштабируемый процесс, который не развалится при переходе от десятков образцов к тысячам пластин в сутки.
Следующий этап для новой методики очевиден: проверка долговечности и стабильности на серийных партиях. Перевести элемент с КПД выше 24% в коммерческий модуль можно, только если характеристики не деградируют слишком быстро под нагревом, влагой и ультрафиолетом. Ответ на этот вопрос отрасль обычно получает не в день публикации, а после нескольких кварталов испытаний на линии и в поле.
