Буферный слой из оксида сурьмы для одно- и двухъядерных перовскитных солнечных элементов

Новые способы улавливать больше солнечного света

Солнечные панели приближаются к своим физическим пределам, поэтому даже небольшое дополнительное поглощение света может означать более дешёвую чистую энергию. В этом исследовании показано, как малоизвестный материал — оксид сурьмы — может сделать передовые перовскитно‑кремниевые солнечные элементы более эффективными и проще производимыми в практических размерах.

Почему современные тандемные солнечные элементы теряют свет

Некоторые из самых эффективных панелей собирают перовскитный элемент поверх кремниевого, позволяя каждому поглощать свою часть солнечного спектра. Между этими слоями располагаются ультратонкие пленки, которые отводят заряды и защищают чувствительные материалы в процессе изготовления. Распространённый буферный материал — форма оксида олова, нанесённая покомпонентно — хорошо выполняет эту роль, но химически реагирует с перовскитом. Чтобы защитить перовскит, инженерам приходилось добавлять более толстый углеродный слой на основе фуллерена. Однако эта дополнительная толщина поглощает полезный синий и фиолетовый свет, не позволяя ему достигнуть активных слоёв, тихо уменьшая ток и эффективность устройства.

Более мягкий защитный слой, пропускающий больше света

Исследователи заменили реакционноспособный слой из оксида олова пленкой оксида сурьмы, нанесённой простым методом термической испарительной конденсации. Этот процесс мягко превращает порошок в пар и конденсирует его в гладкое покрытие, избегая агрессивной химии, которая повреждает перовскиты. Поскольку оксид сурьмы бережнее относится к нижележащему слою, фуллереновую плёнку над перовскитом удалось уменьшить с 15 нанометров до всего 5 нанометров без потери стабильности. Тоньшая плёнка фуллерена означает меньше паразитного поглощения в диапазоне длин волн 300–560 нанометров, что позволяет большему количеству коротковолнового света преобразовываться в электричество верхним перовскитным слоем.

Скрытые «автобаны» для электрических зарядов

При тщательном изучении в электронном микроскопе и с помощью специализированных электрических зондов команда обнаружила, что пленка оксида сурьмы не является однородно стекловидной. Вместо этого она сочетает аморфные участки с крошечными упорядоченными кристаллами. Эти нанокристаллики выстраиваются так, что образуют вертикальные пути для электронов, в то время как окружающий аморфный материал остаётся более изолирующим. Дополнительные измерения указывают на то, что дефекты, связанные с атомами сурьмы, создают энергетические состояния, помогающие электронам преодолевать энергетический барьер между слоями. В совокупности эти свойства позволяют зарядам быстро проходить через буфер в нужном направлении, при этом блокируя нежелательные утечки вбок.

От лабораторных ячеек к большим модулям

Чтобы показать практичность оксида сурьмы, исследователи испытали его как в одиночных перовскитных элементах, так и в полных перовскитно‑кремниевых тандемах. Одиночные элементы с разными ширинами запрещённой зоны достигали высоких КПД выше 22 процентов, причём лучший показал 23,18 процента, сопоставимо с передовыми устройствами на оксиде олова, изготовленными похожими методами. При интеграции в тандемные элементы площадью один квадратный сантиметр новый буфер повысил коэффициент преобразования энергии до 30,28 процента, в основном за счёт увеличения тока верхнего перовскитного слоя примерно на 1 миллиампер на квадратный сантиметр. Важно, что метод хорошо масштабировался: полностью инкапсулированный модуль с площадью апертуры 64,64 квадратных сантиметра достиг эффективности 28,16 процента, с независимо сертифицированным значением 27,70 процента, и показал незначительную деградацию при длительном воздействии света и нагреве.

Что это значит для будущих солнечных панелей

Для неспециалистов главный вывод такой: тонкое изменение почти невидимого слоя солнечного элемента может привести к заметному увеличению улавливания солнечного света, не усложняя производство и не делая его более хрупким. Оксид сурьмы предлагает способ бережно защищать перовскитные слои, одновременно пропуская больше света и эффективно проводя заряды как в небольших лабораторных элементах, так и в больших модулях. Такое сочетание более высокой эффективности, хорошей стабильности и низкой стоимости обработки указывает на перспективу тандемных панелей, которые могут превысить 35 процентов КПД и стать привлекательными для широкого коммерческого применения.

Цитирование: Shi, B., Sunli, Z., Liu, P. et al. Antimony oxide buffer layer for single- and double-junction perovskite-based solar cells. Nat Commun 17, 4394 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70848-8

Ключевые слова: перовскитные солнечные элементы, тандемные солнечные элементы, оксид сурьмы, буферный слой, солнечная эффективность