Warstwa buforowa z tlenku antymonu dla jedno- i dwuzłączowych ogniw perowskitowych

Nowe sposoby na wychwyt większej ilości światła

Panele słoneczne zbliżają się do swoich fizycznych granic, więc wyciśnięcie nawet niewielkiego dodatkowego udziału światła może oznaczać tańszą czystą energię. Badanie to pokazuje, jak mało znany materiał, tlenek antymonu, może uczynić nowoczesne ogniwa perowskit–krzem zarówno bardziej wydajnymi, jak i łatwiejszymi do wytworzenia w praktycznych rozmiarach.

Dlaczego dzisiejsze ogniwa tandemowe tracą światło

Niektóre z najlepiej działających paneli słonecznych układają ogniwo perowskitowe nad ogniwem krzemowym, pozwalając każdemu z nich pochłaniać inną część widma słonecznego. Między tymi warstwami znajdują się ultracienkie powłoki, które prowadzą ładunki elektryczne i chronią wrażliwe materiały podczas obróbki. Powszechnie stosowany materiał buforowy — forma tlenku cyny nanoszona atom po atomie — dobrze pełni tę funkcję, ale chemicznie reaguje z warstwą perowskitową. Aby osłonić perowskit, inżynierowie musieli dodać grubszą warstwę materiału węglowego zwanego fullerenem. Ta dodatkowa grubość jednak pochłania użyteczne światło niebieskie i fioletowe zamiast przepuścić je do aktywnych warstw, cicho odbierając ogniwu prąd i wydajność.

Delikatniejsza warstwa ochronna, która przepuszcza więcej światła

Badacze zastąpili reaktywną warstwę tlenku cyny filmem z tlenku antymonu nałożonym prostą metodą parowania termicznego. Ten proces łagodnie przemienia sproszkowany materiał w parę i kondensuje go jako gładką powłokę, unikając agresywnej chemii, która uszkadza perowskity. Ponieważ tlenek antymonu jest bardziej obojętny dla podłoża, warstwę fullerenową nad perowskitem można cieniej nałożyć — z 15 nanometrów do zaledwie 5 nanometrów — bez utraty stabilności. Cieńszy fullerene oznacza mniejsze absorpcje pasożytnicze w zakresie długości fali 300–560 nanometrów, co pozwala większej ilości światła o krótkiej fali być przekształconym w energię elektryczną przez górne ogniwo perowskitowe.

Ukryte autostrady dla ładunków elektrycznych

Patrząc z bliska za pomocą mikroskopów elektronowych i specjalistycznych sond elektrycznych, zespół stwierdził, że film z tlenku antymonu nie jest jednolicie szklisty. Zamiast tego łączy obszary amorficzne z drobnymi uporządkowanymi kryształkami. Te nanokryształy układają się tak, że tworzą pionowe ścieżki dla elektronów, podczas gdy otaczający materiał amorficzny pozostaje bardziej izolujący. Dodatkowe pomiary sugerują, że defekty związane z atomami antymonu tworzą poziomy energetyczne, które pomagają elektronem przechodzić barierę energetyczną między warstwami. Razem te cechy pozwalają ładunkom poruszać się szybko przez bufor w potrzebnym kierunku, jednocześnie blokując niepożądane przecieki boczne.

Od ogniw laboratoryjnych do większych paneli

Aby wykazać praktyczność tlenku antymonu, badacze przetestowali go zarówno w pojedynczych ogniwach perowskitowych, jak i w pełnych tandomach perowskit–krzem. Pojedyncze ogniwa o różnych przerwach energetycznych osiągnęły wysokie wydajności powyżej 22 procent, z najlepszym wynikiem 23,18 procent, dorównującym nowoczesnym urządzeniom z tlenku cyny wykonanym podobnymi metodami. Po zintegrowaniu z ogniwami tandemowymi o powierzchni jednego centymetra kwadratowego nowa warstwa buforowa podniosła sprawność konwersji mocy do 30,28 procent, głównie poprzez zwiększenie prądu z górnego ogniwa perowskitowego o około 1 miliamper na centymetr kwadratowy. Co istotne, podejście dobrze się skalowało: w pełni zapakowany moduł z aperturą o powierzchni 64,64 centymetra kwadratowego osiągnął 28,16 procent wydajności, z niezależnie certyfikowaną wartością 27,70 procent, i wykazał niewielkie pogorszenie podczas długotrwałego naświetlania i testów temperaturowych.

Co to oznacza dla przyszłych paneli słonecznych

Dla osób niebędących specjalistami główny wniosek jest taki, że subtelna zmiana w niemal niewidocznej warstwie ogniwa słonecznego może przełożyć się na zauważalne zyski w ilości wychwytywanego światła, bez komplikowania procesu produkcji ani zmniejszania trwałości. Tlenek antymonu oferuje sposób na łagodną ochronę warstw perowskitowych przy jednoczesnym lepszym przepuszczaniu światła i efektywnym przewodzeniu ładunków, zarówno w małych ogniwach testowych, jak i w większych modułach. To połączenie wyższej wydajności, dobrej stabilności i niższych kosztów przetwarzania wskazuje na tandemowe panele słoneczne, które mogłyby przekroczyć 35 procent sprawności i stać się atrakcyjne do szerokiego zastosowania komercyjnego.

Cytowanie: Shi, B., Sunli, Z., Liu, P. et al. Antimony oxide buffer layer for single- and double-junction perovskite-based solar cells. Nat Commun 17, 4394 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70848-8

Słowa kluczowe: ogniwa perowskitowe, ogniwa tandemowe, tlenek antymonu, warstwa buforowa, wydajność słoneczna