Подавление аддуктов растворителя через конкуренцию координации позволяет масштабировать перовскитовые фотоэлектрические устройства

Почему качественные солнечные пленки важны

Перовскитовые солнечные элементы — один из самых перспективных кандидатов на то, чтобы обеспечить более дешёвую и эффективную солнечную энергетику по сравнению с современными кремниевыми панелями. Однако если в лаборатории можно получить крошечные образцы с рекордными показателями, то превращение тех же материалов в крупные модули, пригодные для фабричного производства, оказывается значительно сложнее. В этом исследовании разобрана скрытая узкая часть процесса масштабирования перовскитовых пленок и предложено химическое решение, которое позволяет крупным модулям, нанесённым лезвием, достигать КПД, пригодного для реального использования.

От центрифуги к фабричным лезвиям

Большинство высокоэффективных перовскитовых элементов изготавливают методом центрифугирования — наносят жидкий раствор на маленькую подложку и разгоняют её, чтобы растворитель быстро удалился, после чего обычно добавляют антисольвент, запускающий резкий и хорошо контролируемый рост кристаллов. Промышленные же методы вынуждены покрывать большие стеклянные листы простыми инструментами, такими как подвижные лезвия, полагаясь на медленное испарение растворителя вместо быстрого центрифугирования. Авторы показывают, что различия в динамике жидкости приводят к совсем разному росту кристаллов и что рецептуры, настроенные для центрифугирования, не переносятся автоматически на масштабируемое нанесение лезвием.

Скрытые часы в ещё сырой краске

Команда выделяет ключевую, но ранее недооценённую величину: время, в течение которого молекулы растворителя остаются прочно связанными с предшественниками перовскита в мокрой плёнке — «время взаимодействия растворитель–предшественник». При нанесении лезвием медленное высыхание сохраняет растворитель связанным дольше, образуя упорные «аддукты растворителя» и запирая остатки внутри плёнки. Рентгеновские измерения и химический анализ показывают, что эти промежуточные, богатые растворителем фазы гораздо более выражены в слоях, нанесённых лезвием, чем в центрифугированных, что приводит к худшему порядку кристаллов и большему числу электронных дефектов — оба фактора негативно влияют на работу солнечных элементов.

Пусть побеждают нужные молекулы

Вместо того чтобы выдавливать растворитель жёсткой обработкой, исследователи разработали мягкий молекулярный конкурс. Они вводят в перовскитовый «чернила» небольшую добавку — молекулу с двумя гидроксильными (OH) группами, прозванную 2OH. Эта молекула специально подобрана так, чтобы связываться с ионами свинца сильнее, чем распространённый растворитель N‑метил‑2‑пирролидон (NMP). Набор методов — включая инфракрасную спектроскопию, рентгеновское поглощение и дифракцию — показывает, что 2OH успешно вытесняет растворитель с сайтов свинца, ослабляет связь растворитель–свинец и смещает равновесие в сторону свободного растворителя, который может легче испаряться. Одновременно 2OH помогает организовать органические компоненты перовскита, направляя их в желаемую кристаллическую фазу.

Чище пленки — крупнее устройства

Чтобы проверить, как эта конкуренция координации отражается на реальных устройствах, авторы сравнивают добавки с нулём, одной или двумя OH‑группами. С увеличением числа OH‑групп количество остаточного растворителя в плёнке уменьшается, связи свинца с растворителем ослабевают, а перовскитовые кристаллы становятся более упорядоченными и с меньшим количеством дефектов. Солнечные элементы с добавкой 2OH достигают эффективности преобразования мощности 26,5% на маленьких тестовых ячейках с заметным приростом напряжения и коэффициента заполнения. Важно, что стратегия масштабируется: мини‑модули площадью 20,8 см², нанесённые лезвием, достигают 22,9% эффективности, а препилотный субмодуль площадью 728,0 см² сертифицирован на 22,58%, что выводит перовскитовые модули, нанесённые лезвием, в класс производительности, ранее доступный более деликатным лабораторным методам.

Больше мощности, дольше служба

Лучший порядок кристаллов повышает не только эффективность, но и стабильность. Устройства с 2OH сохраняют 92% первоначальной производительности после почти 1000 часов непрерывного освещения, по сравнению с 80% у контрольных образцов. Электрические изображения дополнительно показывают, что крупноформатные модули с добавкой демонстрируют более равномерное свечение и меньше «горячих точек» — признаки уменьшения шунтирования и числа дефектов. Измерения тока и рекомбинации подтверждают, что плёнки теряют меньше энергии через нежелательные каналы, что объясняет улучшенное напряжение и долговечность.

Практичный путь к масштабируемым перовскитам

Для неспециалистов смысл в том, что авторы нашли простой химический «регулятор», позволяющий производителям управлять временем, в течение которого растворитель прилипает к формирующимся кристаллам перовскита при покрытии больших площадей. Вводя молекулу, которая сдвигает химию от липких комплексов растворителя в сторону чистых, хорошо упорядоченных кристаллов, они достигают высокой эффективности и стабильности при промышленно подходящем нанесении лезвием. Этот подход предлагает реалистичный путь к массовому производству перовскитовых солнечных панелей, которые будут одновременно мощными и пригодными для масштабного выпуска.

Цитирование: Jin, L., Zhang, S., Zhou, J. et al. Suppressing solvent adducts via coordination competition enables scalable perovskite photovoltaics. Nat Commun 17, 1737 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68439-8

Ключевые слова: перовскитовые солнечные элементы, нанесение лезвием, тонкоплёночная фотоэлектроника, контроль роста кристаллов, масштабирование солнечных модулей