Регулирование кинетики кристаллизации перовскита на лазерных линиях реза для эффективных и стабильных перовскитных модулей

Почему лучшим солнечным панелям нужны более продуманные линии

Перовскитные солнечные элементы обещают более дешёвые и лёгкие панели, которые по КПД соперничают с современным кремнием или даже превосходят его. Но при масштабировании от крошечных лабораторных ячеек до реальных модулей их эффективность и срок службы резко падают. В этом исследовании выявлен скрытый виновник: тонкие «штриховые линии», вырезанные лазером для объединения многих маленьких ячеек в одну большую панель, — и показано, как управление ростом кристаллов вокруг этих линий может обеспечить рекордную эффективность и значительно лучшую стабильность.

Где крупные солнечные панели начинают давать сбой

В лаборатории одиночные перовскитные элементы сейчас достигают коэффициентов преобразования мощности, близких к лучшим кремниевым устройствам. Однако при увеличении активной площади до практичных размеров модулей эффективность падает, и устройства стареют гораздо быстрее. Исследователи сравнили маленькие элементы с модулями площадью до 100 см² и обнаружили чёткую закономерность: в то время как крошечные устройства оставались относительно стабильными, большие модули деградировали быстро, особенно при длительном хранении или облучении светом. Тщательная съёмка состарившихся модулей выявила, что отказы почти всегда начинались на лазерных линиях реза, используемых для разделения и соединения субячеек, а затем распространялись в окружающую светопоглощающую плёнку.

Проблема, скрытая в тонких лазерных вырезах

Модули паттернизируются тремя основными типами лазерных линий, известными как P1, P2 и P3, каждая из которых режет разные слои. При P1 лазер удаляет прозрачный передний электрод до осаждения перовскита. Команда обнаружила, что эти борозды создают шероховатые, неровные впадины, которые нижележащий транспортный слой не может полностью заполнить. Когда перовскитный раствор затем высыхает и кристаллизуется над таким рельефом, растворитель оказывается захваченным, кристаллы растут медленнее и неравномерно, а также образуются микрополюсы и скопления свинцосодержащих материалов. Эти слабые участки деградируют намного быстрее, чем ровные области между линиями, особенно во влажном воздухе или под светом.

Тепловое повреждение при соединении ячеек

Линии P2 и P3, выполненные после нанесения слоя перовскита, создают другую проблему: интенсивный локальный нагрев. При P2, который прорезает стек перовскитного стека, чтобы обнажить зарытые электроды, сканирующая микроскопия показала расплавленные брызги, ободки из повторно отвердевшего материала и тонкий повреждённый слой вдоль краёв. Химическое картирование выявило частичный распад перовскита в этих зонах: органическая составляющая теряется, остаются свинцово- и йодсодержащие остатки и оксиды. При P3, где для резки заднего металлического контакта требуется большая энергия лазера, окружающие слои сливаются и разрушаются ещё сильнее, образуя йодид серебра и блокируя эффективное извлечение заряда. В совокупности эти тепловые «рубцы» становятся очагами длительной деградации.

Направление роста кристаллов снизу вверх

Чтобы справиться с этими слабыми участками, исследователи не стали перенастраивать сами лазеры. Вместо этого они изменили способ формирования кристаллов перовскита по всей поверхности модуля, включая проблемные впадины штрихов. В прекурсорный раствор они добавили небольшое количество молекулы, называемой BDECl. Эта добавка сначала формирует ультратонкий двумерный перовскитный шаблон у основания влажной плёнки. При нагреве этот шаблон действует как каркас, который побуждает основной трёхмерный перовскит расти вверх упорядоченно и ориентированно. По мере затвердевания плёнки добавка в основном уходит, но её отпечаток остаётся в виде плотно упакованных, хорошо ориентированных кристаллов с гораздо меньшим количеством пустот и дефектов.

Рекордные КПД и более длительный срок службы

Модули, изготовленные с этой стратегией направленного роста, продемонстрировали впечатляющие улучшения. Семиэлементный модуль площадью 25 см² достиг КПД 24,70 процента, а десятиэлементный модуль площадью 100 см² — 23,89 процента, с независимо сертифицированным значением 23,55 процента — рекорд для этой категории размеров. Не менее важно, что тесты на стабильность при освещении и в атмосферных условиях показали: неинкапсулированные модули сохраняли более 90 процентов от первоначальной производительности в течение тысяч часов, существенно превосходя обычные конструкции. Показав, как крошечные лазерные линии могут незаметно подрывать модули большого размера, и продемонстрировав практический способ укрепить эти области через более умную кристаллизацию, работа приближает высокоэффективные и долговечные перовскитные солнечные панели к повседневному применению.

Цитирование: Xie, Y., Fan, B., Li, H. et al. Regulating perovskite crystallization kinetics at laser scribe lines for efficient and stable perovskite modules. Nat Commun 17, 2977 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69685-6

Ключевые слова: перовскитные солнечные модули, лазерная резка, рост кристаллов, солнечная стабильность, инжиниринг добавок