Производные гетероарилов для слоев переноса дырок улучшают термостойкость перовскитных солнечных элементов

Как сделать солнечные панели более долговечными при жаре

Солнечные панели работают эффективнее всего, когда они могут выдерживать годы солнца и нагрева без потери выработки. Перспективный тип солнечных элементов—перовскитные элементы—уже способен преобразовывать солнечный свет в электричество с эффективностью, сопоставимой с современными кремниевыми панелями, но они склонны к деградации при повышенных температурах. В этом исследовании предложен изящный химический подход, который делает эти передовые элементы значительно более термостойкими, приближая их к применению на реальных крышах и солнечных фермах.

Слабое звено многообещающей технологии

За последнее десятилетие перовскитные солнечные элементы резко выросли по эффективности и сейчас относятся к лидерам лабораторных разработок. Они тонкие, лёгкие и могут изготавливаться относительно простыми растворными методами, что делает их привлекательными для недорогого массового производства. Однако их долговременная стабильность, особенно при высоких температурах, всё ещё не дотягивает до требований энергосети. Главная проблема кроется в тонком органическом покрытии — слое переноса дырок, который помогает выводить положительные заряды из светопоглощающего перовскита. Стандартная рецептура этого слоя использует малую молекулу 4‑трет‑бутилпиридин (tBP). При повышенных температурах tBP склонен испаряться и реагировать с перовскитом, образуя мелкие пустоты и побочные химические продукты, которые постепенно разрушают работу устройства.

Замена на более надёжные молекулы‑помощники

Исследователи решили переработать этот уязвимый слой, не меняя базовую архитектуру устройства. Они сосредоточились на семействе циклических органических молекул, известных как производные гетероарилов, которые можно оптимизировать, изменяя положение и характер присоединённых химических групп. Систематически сравнив 36 различных производных и 60 комбинаций с другими добавками, они искали варианты, которые оставались бы в слое переноса дырок, не атаковали перовскит и при этом обеспечивали бы быстрый отвод зарядов. Тремя выдающимися кандидатами оказались соединения с фенил–пиридиновой структурой — 4‑фенилпиридин, 3‑фенилпиридин и 2‑фенилпиридин. Эти молекулы имеют более высокие точки кипения, чем tBP, и более объёмные формы, что снижает нежелательные реакции на интерфейсе.

Наблюдение за старением солнечных элементов в печи

Чтобы проверить реальную прочность, команда эксплуатировала солнечные элементы при 85 °C в течение нескольких тысяч часов — стандартный ускоренный тест старения. Устройства с привычной добавкой tBP показали резкое падение КПД уже через несколько дней. Напротив, элементы с 3‑фенилпиридином и 2‑фенилпиридином не только сохранили производительность, но и продемонстрировали небольшие улучшения, удержав 101% и 104% от начальной эффективности примерно после 2400 часов в жаре. Снимки в микроскопе объяснили причину: в устройствах на основе tBP слой переноса дырок образовал большие пустоты и трещины, нарушив электрический контакт. С новыми добавками этот слой оставался гладким и непрерывным, даже когда его делали достаточно толстым для масштабируемых методов нанесения.

Как новые добавки защищают элемент

Несколько измерений помогли восстановить механизм работы. Рентгеновская дифракция показала, что 2‑ и 3‑фенилпиридин гораздо меньше реагируют с перовскитом, образуя меньше нежелательных соединений. Эксперименты по глубинному профилированию указали, что в отличие от tBP эти добавки в основном остаются в слое переноса дырок и не мигрируют в перовскит. Компьютерные моделирования и спектроскопические исследования предположили, что их специфические формы и схемы связей уменьшают летучесть и реакционную способность, одновременно сохраняя способность корректно координироваться с допантами лития. Испытания фотолюминесценции дополнительно показали, что новые добавки обеспечивают более быстрый и эффективный перенос заряда из перовскита в слой переноса дырок, что поддерживает более высокие рабочие напряжения и лучшую общую эффективность.

Высокая эффективность в лаборатории и на открытом воздухе

Важно, что термические преимущества не сказались на производительности. Оптимизированные элементы с 2‑фенилпиридином достигли коэффициента преобразования мощности 25%, что ставит их вровень с лучшими перовскитными устройствами, описанными до настоящего времени. Небольшие солнечные модули с этими добавками также показали хорошую работу, что демонстрирует возможность масштабирования стратегии за пределы крошечных тестовых ячеек. В полевых испытаниях под реальным солнцем устройства с 2‑фенилпиридином сохранили примерно 90% рабочего напряжения и 94% выходной мощности после более чем 1500 часов непрерывного трекинга в точке максимальной мощности — требовательного режима циклирования.

Приближение долговечных перовскитных солнечных элементов к реальности

Для неспециалистов вывод прост: за счёт внимательной переработки вспомогательного слоя в перовскитных солнечных элементах с применением более благоприятных молекул авторы смогли значительно продлить срок службы этих элементов при высокой температуре, одновременно повысив их выходную мощность. Работа показывает, что проблемы со стабильностью не являются неизбежным свойством перовскитов, их можно решать посредством продуманной химии на интерфейсах. Если такие термостойкие решения удастся внедрить в крупносерийное производство, перовскитные солнечные панели могут стать практичными кандидатами для долговечных установок на крышах и на коммунальных электростанциях.

Цитирование: Kanda, H., Mondal, S., Eguchi, N. et al. Heteroaryl derivatives for hole-transport layers improve thermal stability of perovskite solar cells. Nat Commun 17, 1664 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-025-68236-9

Ключевые слова: перовскитные солнечные элементы, термостойкость, слой переноса дырок, органические добавки, фотовольтаическая долговечность