Молекулярный слой повысил эффективность тандемных солнечных элементов 31.08.2026

Солнечная энергетика постепенно выходит за пределы возможностей традиционных кремниевых фотоэлементов. Одним из наиболее перспективных направлений считаются тандемные солнечные элементы, в которых несколько светопоглощающих слоев объединяются в одном устройстве и позволяют эффективнее использовать солнечный спектр. Однако высокая эффективность таких конструкций зависит не только от свойств отдельных материалов, но и от того, насколько хорошо они взаимодействуют на границах между слоями.

Исследователи Каунасского технологического университета (KTU) и их международные партнеры нашли способ улучшить один из таких интерфейсов. Специалисты изменили сверхтонкий молекулярный слой, предназначенный для переноса положительных носителей заряда, и благодаря этому смогли одновременно повысить стабильность конструкции и ее эффективность. В результате тандемные перовскитные солнечные элементы продемонстрировали коэффициент преобразования энергии более 29%.

Перовскитные солнечные элементы представляют собой тонкопленочные фотоэлектрические устройства, в которых активным светопоглощающим материалом служит перовскит. Интерес к этой технологии связан с ее потенциальной легкостью, гибкостью и сравнительно невысокой стоимостью производства. Вместе с тем перовскитные структуры чувствительны к влаге, кислороду и нагреву, а качество контакта между многочисленными слоями непосредственно влияет на способность устройства эффективно собирать и перемещать электрические заряды.

Каспарас Ракштис, доктор философии и исследователь KTU, сравнил конструкцию такого элемента с многослойным "сэндвичем", в котором каждый слой выполняет собственную функцию. Одним из ключевых компонентов здесь являются самоорганизующиеся монослои, или SAM, применяемые для транспортировки заряда. Такие молекулярные покрытия начали использовать в солнечной энергетике в 2018 году. Они формируют чрезвычайно тонкий промежуточный слой, который помогает переносить положительные носители заряда, называемые "дырками", к электроду.

Проблема заключалась в химических свойствах традиционных SAM. Их кислотная природа со временем могла способствовать коррозии соседних слоев и появлению дефектов на границе материалов. Это ухудшало перенос заряда, снижало производительность солнечного элемента и потенциально сокращало срок его службы. Поэтому команда Ракштиса решила изменить не весь материал, а лишь молекулярную группу, отвечающую за соединение SAM со слоем оксида металла.

Исследователи химически преобразовали исходные кислотные молекулы в ионные соли. Получившийся материал сохранил способность надежно связываться с поверхностью оксида металла, но при этом сформировал значительно менее агрессивный интерфейс. Дополнительным преимуществом стало то, что солевые молекулы растворяются в воде, благодаря чему их нанесение потенциально может обходиться без токсичных растворителей. Несмотря на толщину всего в несколько нанометров, такой слой заметно влияет на прохождение зарядов через всю конструкцию.

Разработчики проверили технологию не только на небольших лабораторных образцах, но и на модулях большей площади. Эксперименты показали, что модифицированный материал позволяет получать равномерное и качественное покрытие, пригодное для дальнейшего масштабирования. Метод также испытали в тандемных перовскитных элементах, где разные светопоглощающие слои захватывают более широкий диапазон солнечного излучения. По словам Каспараса Ракштиса, именно сочетание более стабильного интерфейса и эффективного переноса заряда позволило превысить отметку в 29%.