Масштабируемая техника отжига раствором раскрывает эффективные и долговечные перовскитные солнечные модули с широким запрещённым пространством

Преобразование солнечного света в повседневную энергию

Представьте зарядные устройства вшитые в рюкзаки, солнечные окна в офисных башнях и крыши теплиц, которые одновременно выращивают еду и вырабатывают электричество. Все эти представления зависят от солнечных панелей, которые лёгкие, эффективные и дешёвые в производстве на больших площадях. В статье представлен новый способ обработки перовскитных плёнок следующего поколения, благодаря которому они работают лучше и служат дольше при масштабировании от крошечных лабораторных ячеек до реальных модулей.

Обещание и проблема новых солнечных материалов

Перовскитные солнечные элементы за последнее десятилетие резко повысили свою эффективность, сейчас они соперничают с коммерческим кремнием при низкой стоимости обработки растворами. Особая категория — перовскиты с широким запрещённым промежутком — особенно привлекательна для прозрачных панелей, портативной электроники и тандемных устройств, где два элемента складываются для более высокой эффективности. Но при попытке изготовить эти материалы на больших площадях плёнки часто получаются пятнистыми: зерна кристаллов имеют разный размер, компоненты химии собираются в более и менее насыщенные участки, и на поверхностях и границах зерен образуются дефекты. Эти недостатки превращают энергию в тепло вместо электричества и ускоряют деградацию устройств, особенно под действием света и температуры.

Заимствование приёма у сталелитейного производства

Авторы заимствуют идею из металлообработки, известную как отжиг (quenching) — быстрое охлаждение горячего металла в ванне, чтобы закалить и укрепить его — и применяют её к перовскитным плёнкам. После нанесения горячего слоя перовскита с широким запрещённым промежутком на площади около 30 см² они погружают его в холодную ванну, содержащую растворённую соль йодида стронция в изопропаноле. Этот «отжиг погружением в раствор» одновременно охлаждает плёнку и обеспечивает поверхность полезными ионами. Кратковременный последующий прогрев позволяет этим ионам упорядоченно войти в кристаллическую решётку. В результате происходит некая поверхностная реконструкция: зерна более плотно сцепляются, шероховатость снижается более чем вдвое, а химический состав становится значительно более однородным по всей плёнке.

Выравнивание внутренней структуры и успокоение блуждающих ионов

При внимательном рассмотрении команда показывает, что ионы стронция из ванны проникают с поверхности в объём плёнки, мягко замещая часть свинца и сильнее связываясь с галогенными ионами (йодидом и бромидом), которые определяют цвет и напряжение материала. Такой градиент стронция помогает заполнять пустые вакансии, уменьшает склонность йодида и бромида к разбиению на более и менее насыщённые области и ослабляет внутренние растягивающие напряжения, которые могут деформировать решётку и открывать пути для движения ионов. Оптические измерения показывают, что свечение становится ярче и более однородным, и остаётся устойчивым при нагреве или длительном освещении. Иными словами, обработанные перовскиты меньше подвержены медленным, индуцируемым светом перестройкам, которые обычно преследуют составы с широким запрещённым промежутком.

От улучшенных зерен к лучшим солнечным панелям

Эти микроскопические улучшения ясно проявляются на уровне устройств. Небольшие перовскитные элементы, изготовленные с этим этапом отжига, достигают эффективности выше 22% без использования термически нестойкого метиламмония, и они проводят заряды по плёнке более чем в пять раз быстрее, чем необработанные устройства. Когда метод применяют к мини‑модулям с активной площадью чуть более 10 см², эффективность поднимается примерно до 20% с почти отсутствующим падением по сравнению с крошечными тестовыми элементами — это серьёзное препятствие на пути вывода перовскитов на рынок. Электрическое сопротивление внутри модулей существенно падает, а коэффициент заполнения (fill factor), ключевой показатель эффективности отдачи мощности солнечной ячейкой, поднимается до примерно 80%, что необычно высоко для модулей перовскита большой площади.

Готовность для окон, ферм и гаджетов

Поскольку обработку можно применять после нанесения покрытия и она подходит для нескольких рецептур перовскита, она естественно интегрируется в масштабируемое производство. Авторы демонстрируют полупрозрачные модули, подходящие для строительных окон, солнечное остекление, способное питать вентиляторы и портативные зарядные устройства, и панели в стиле теплицы, пропускающие полезный для растений красный свет и при этом вырабатывающие электричество. Отожжённые модули сохраняют более 96% начальной производительности после более чем 1000 часов непрерывной работы при комнатной температуре и удерживают большую часть своей мощности после сотен часов на повышенных температурах. Проще говоря, исследование показывает, что короткое холодное погружение может превратить хрупкие, неоднородные перовскитные плёнки в прочные, однородные солнечные модули, которые гораздо ближе к требованиям повседневного использования.

Цитирование: Fang, Y., Sun, J., Tan, Y. et al. Scalable solution soaking quenching technique unlocks efficient and durable wide bandgap perovskite solar modules. Nat Commun 17, 2824 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69264-9

Ключевые слова: перовскитные солнечные модули, фотовольтаика с широким запрещённым промежутком, отжиг погружением в раствор, массовое производство солнечных панелей, тандемные и полупрозрачные солнечные элементы