Высокий произведение открытого напряжения и коэффициента заполнения в перовскитных солнечных элементах, достигнутое за счёт модуляции ферроэлектрического гетероперехода

Почему более умные солнечные элементы важны

Солнечные панели уже привычно встречаются на крышах и в полях, но технология вокруг них продолжает быстро развиваться. Один из перспективных новичков — перовскитный солнечный элемент — за последнее десятилетие резко увеличил свою эффективность и может сделать солнечную энергию дешевле и доступнее. Тем не менее небольшие потери энергии внутри таких элементов всё ещё не позволяют им достичь полного потенциала. В этом исследовании показан новый способ перестройки активных слоёв перовскитных ячеек так, чтобы электричество протекало легче и терялось меньше энергии, приближая характеристики к теоретическому пределу для этого типа материала.

Используя каждый луч света максимально

Любой солнечный элемент превращает падающий солнечный свет в разделённые электрические заряды, которые можно отвести в виде тока. Двумя ключевыми характеристиками, описывающими эффективность этого процесса, являются открытое напряжение — которое показывает, какое «давление» имеется у каждого заряда — и коэффициент заполнения, отражающий, насколько эффективно это давление преобразуется в полезную мощность. В современных лучших перовскитных устройствах оба показателя ограничены внутренними дефектами. Крошечные недостатки внутри светопоглощающей плёнки и на её границах работают как ловушки, где заряды вновь рекомбинируют, теряя энергию в виде тепла вместо электричества. Одновременно внутреннее электрическое поле, которое должно направлять заряды к контактам, часто слабее идеального, особенно в популярной «инвертированной» конструкции устройства. Задача — усилить этот встроенный движущий потенциал и при этом устранить ловушки, вызывающие рекомбинацию.

Добавление тонкого вспомогательного слоя

Исследователи подошли к решению, введя чрезвычайно тонкие слои специальных «ферроэлектрических» перовскитов в основной светопоглощающий перовскит. Ферроэлектрические материалы несут встроенные электрические диполи, которые могут выстраиваться, создавая сильные внутренние поля. В работе команда смешала двухмерные ферроэлектрические перовскитные структуры — известные как фазы Дион–Якобсон и Раддлсден–Поппер — с обычной трёхмерной перовскитной плёнкой. В результате получился ферроэлектрический гетеропереход, где слегка разные типы перовскита соседствуют внутри одного слоя. Эти внедрённые области выполняют двойную функцию: они усиливают внутреннее электрическое поле, которое разъединяет заряды, и служат «затравками», направляющими кристаллизацию остальной плёнки при её формировании.

Очистка кристаллического ландшафта

Чтобы понять, как новая конструкция влияет на материал, команда наблюдала рост перовскитного слоя в реальном времени с помощью оптических зондов. Они обнаружили, что крошечные ферроэлектрические кристаллы помогают контролировать, когда и где происходит нуклеация и рост основного перовскита. Вместо поспешного, неравномерного формирования плёнка развивается более постепенно и однородно. Снимки и электрические измерения подтвердили, что готовые плёнки имеют более крупные и правильные зерна, меньше остатков иодида свинца и значительно более низкую плотность дефектов, где заряды могли бы теряться. Среднее время жизни зарядов до рекомбинации существенно удлинилось, что указывает на эффективное подавление ловушек.

Более сильное внутреннее «давление» на заряды

Помимо улучшения структуры кристаллов, добавки ферроэлектрика перестраивают электрическую среду устройства. Измерения поверхностного потенциала выявили более равномерное электрическое поле по всей плёнке, а измерения энергетических уровней показали, что поглощающий слой теперь лучше выровнен с контактом по сбору дырок. Это выравнивание, в сочетании с поляризацией от ферроэлектрических областей, увеличивает встроенный потенциал — внутреннее «напряжение», которое помогает притягивать электроны и дырки к противоположным сторонам. В результате заряды перемещаются быстрее и меньше подвержены захвату дефектами или повторной рекомбинации. Измерения на уровне устройств подтвердили эти улучшения: и открытое напряжение, и коэффициент заполнения выросли, а нежелательная рекомбинация при освещении сократилась.

Движение к идеальной солнечной эффективности

Когда эти эффекты объединяются в полном составе солнечных элементов, результаты оказываются впечатляющими. Лучшие устройства достигли коэффициента преобразования мощности 26,62%, с независимо сертифицированным значением 26,07%. Ещё более показательным является то, что произведение напряжения и коэффициента заполнения достигло примерно 90% от фундаментального предела Шокли–Куэссера для запрещённой зоны этого материала, что означает, что в этих двух ключевых параметрах остаётся очень мало возможностей для дальнейших потерь. Устройства также сохранили более 85% своей начальной эффективности после 500 часов непрерывной работы, что указывает на хорошую стабильность. Проще говоря, аккуратное внедрение ферроэлектрических областей в перовскитные солнечные элементы обеспечивает более ясный и сильный путь для зарядов и уменьшает места, где они могут застревать, приближая практические модули к их теоретическому максимуму.

Цитирование: Wu, N., Ni, H., Niu, T. et al. High Open-Circuit Voltage–Fill factor product in perovskite solar cells enabled by ferroelectric heterojunction modulation. Nat Commun 17, 2897 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69391-3

Ключевые слова: перовскитные солнечные элементы, ферроэлектрические материалы, кристаллические дефекты, эффективность солнечных элементов, тонкоплёночная фотоэлектрика