Наноразмерный полевой эффектный переход на основе MXene для передовых 4-терминальных тандемных перовскит/кремний солнечных панелей

Преобразование солнечного света в больше энергии

Солнечные панели уже повсеместно устанавливают на крышах и в полях, но даже наши лучшие коммерческие модули теряют значительную часть энергии Солнца. В этом исследовании показан практичный способ извлечь больше электроэнергии из того же солнечного потока путем объединения двух разных солнечных технологий — передового материала перовскита поверх кремния — и обеспечения их эффективной совместной работы в реальных уличных условиях. Работа сосредоточена не только на побитии лабораторных рекордов, но и на создании крупных, долговечных панелей, которые могли бы без проблем вписаться в существующие солнечные фабрики.

Почему два слоя лучше, чем один

Кремниевые солнечные элементы доминируют на рынке и приближаются к своему теоретическому пределу эффективности примерно в 30%. Перовскитовые элементы, более новая категория материалов, быстро продвинулись по эффективности в лаборатории, но сталкиваются с трудностями при масштабировании до крупных стабильных модулей. Накладывая полупрозрачный перовскитовый слой поверх кремниевого элемента, каждый слой улавливает разные части солнечного спектра: перовскит использует более высокоэнергетическую часть и пропускает оставшуюся энергию к кремнию. В четырехтерминальной конфигурации два слоя работают как отдельные мини-энергетические установки, разделяя один солнечный поток, но сохраняя независимые электрические цепи, что упрощает интеграцию с существующими производственными линиями для кремния.

Создание более умного перовскитового слоя

Ключевое новшество этой работы — перепроектирование самого перовскита для более чистого перемещения зарядов. Авторы вводят в структуру перовскита два компонента. Во-первых, в прекурсор перовскита добавляют класс ультратонких материалов, известных как MXene, несущих атомы хлора. Эти MXene-пластинки скапливаются у пограничного интерфейса и помогают сформировать область, ведущую себя как обогащенная электронами сторона. Во-вторых, особая органическая добавка наносится у поверхности, мягко превращая материал там в сторону, богатую дырками, и устраняя дефекты, которые в противном случае тратили бы энергию в виде тепла. Вместе эти две обработки формируют то, что авторы называют «полевым эффектным переходом» внутри одного перовскитового слоя — имитируя полезное внутреннее электрическое поле традиционного p–n перехода без необходимости наслоения двух отдельных перовскитовых пленок.

От крошечных ячеек к реальным панелям

В небольших тестовых ячейках такая конструкция перовскита обеспечивает более высокое напряжение, больший ток и меньшую гистерезисность характеристик — все признаки уменьшения количества дефектов и более эффективного сбора зарядов. Команда затем масштабирует подход. Они изготавливают полупрозрачные перовскитовые модули с активной площадью 60 квадратных сантиметров, используя более экологичные растворители и лазерное паттернирование для межсоединения 24 маленьких элементов на одном стеклянном листе. Эти модули достигают эффективности выше 16%, что является хорошим результатом для устройств, которые должны одновременно генерировать энергию и пропускать достаточно света к кремниевому слою под ними. Важно, что потеря эффективности при переходе от крошечных лабораторных ячеек к этим большим модулям остаётся относительно небольшой, что критично для промышленного внедрения.

Испытание тандемных панелей

Далее перовскитовые модули ламинируют поверх коммерческих двусторонних кремниевых гетеропереходных элементов, создавая четырехтерминальные тандемные панели площадью около 0,2 квадратного метра. Один демонстратор достигает коэффициента преобразования энергии около 21% в стандартных лабораторных условиях. Большая панель, объединяющая 16 перовскитовых модулей с четырьмя двусторонними кремниевыми элементами, показала почти 19,5% эффективности в уличном тесте и может превышать 23 милливатта на квадратный сантиметр, когда также собирает отраженный от земли свет. Установленный на Крите и мониторившийся в течение трех месяцев, перовскитовый верхний слой сохраняет более 95% первоначальной мощности, с лишь медленным и умеренным снижением, главным образом заполнения (fill factor), тогда как кремниевая часть не показывает явной деградации.

Что это означает для будущей солнечной энергетики

Для неспециалиста главный вывод в том, что исследователи показали реалистичный путь к более мощным солнечным панелям без ломки существующей кремниевой инфраструктуры. Используя MXene и поверхностные обработки для формирования внутреннего электрического поля внутри перовскита, они одновременно повышают эффективность, стабильность и масштабируемость. Получившиеся четырехтерминальные перовскит/кремниевые тандемы эффективны, их можно производить на площадях, сопоставимых с реальными панелями, и они выдерживают месяцы уличной эксплуатации. При дальнейшем снижении затрат и отработке производства этот дизайн на основе полевого эффекта может помочь вывести тандемные солнечные панели следующего поколения из лабораторий на крыши и солнечные фермы по всему миру.

Цитирование: Agresti, A., Pescetelli, S., Viskadouros, G. et al. MXene-driven nanoscale field-effect junction for advanced 4-terminal perovskite/silicon tandem solar panels. Nat Commun 17, 3394 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70002-4

Ключевые слова: перовскит кремниевый тандем, MXene, полевой эффектный переход, полупрозрачные солнечные модули, двусторонний кремний