Наночастицы циркония помогли солнечному элементу достичь КПД 34%
Автор: Марта Баринова Исследователи из Университета Сучжоу и Центрального института исследований и разработок LONGi создали тандемный перовскит-кремниевый солнечный элемент с лабораторным КПД 34%. Команда добавила наночастицы диоксида циркония в скрытый межслой конструкции. Независимая сертификация подтвердила стабильную эффективность 33,5% и напряжение холостого хода 2,014 В.
Тандемная конструкция состоит из верхнего перовскитного элемента с широкой запрещённой зоной и нижнего кремниевого элемента. Такое сочетание позволяет эффективнее использовать солнечный свет по сравнению с одиночными кремниевыми ячейками. Однако текстурированная поверхность кремния мешает равномерно вырастить перовскитную плёнку, а на стыке со слоем для переноса дырок возникают потери энергии из-за нерадиационной рекомбинации.
Ранние способы пассивации интерфейса уменьшали рекомбинацию, но создавали другую проблему: заряд хуже проходил через дополнительный слой. Авторы работы разместили отдельные моноклинные наночастицы ZrO₂ между прозрачным проводящим оксидом и самособирающимся молекулярным монослоем. Сплошной изолирующей прослойки в таком варианте нет, поэтому наночастицы образуют локальные контакты на наноуровне.
Как наночастицы повышают КПД солнечного элемента
Наночастицы циркония меняют поверхностную энергию на границе материалов. Раствор-предшественник перовскита распределяется ровнее, а после формирования образует более плотную плёнку без пустот и с более крупными зёрнами. Участки с ZrO₂ подавляют нерадиационную рекомбинацию за счёт полевого эффекта, а открытые пути молекулярного слоя сохраняют эффективное извлечение дырок.
Высокая диэлектрическая проницаемость диоксида циркония также экранирует локальные электрические колебания, ограничивает накопление заряда и снижает гистерезис элемента. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия показала образование связей Zr—O—P между наночастицами и молекулами монослоя. Связи монослоя и проводящего оксида формируют систему двойного закрепления, которая улучшает фиксацию молекул и равномерность покрытия.
Измерения подтвердили более равномерное распределение тока и поверхностного потенциала в модифицированном интерфейсе. Среднее время жизни носителей заряда выросло с 1,46 до 2,81 мкс. Как сообщает EurekAlert!, у лучшего тандемного образца напряжение холостого хода составило 1,997 В, плотность тока короткого замыкания достигла 20,36 мА/см², а коэффициент заполнения равнялся 83,62%.
Исследователи проверили долговечность герметизированных устройств. Их непрерывно освещали с интенсивностью одного солнца при комнатной температуре и удерживали в точке максимальной мощности. Через 2000 часов элемент с наночастицами ZrO₂ сохранил 84% первоначального КПД.
