Бесконтактная лазерная полировка и реконструкция для высокоэффективных полностью-перовскитных тандемных солнечных элементов

Повышение эффективности солнечных панелей

Солнечные панели становятся дешевле и шире распространены, но современные стандартные конструкции теряют значительную часть солнечной энергии в виде тепла. Один из самых перспективных способов извлечь больше электричества из света — это сложить два солнечных элемента друг на друга, каждый настроенный на свою часть солнечного спектра. В этой работе показано, как новый метод «бесконтактной полировки» с помощью лазерного света может устранить ключевую слабость таких тандемных перовскитных ячеек и приблизить их КПД к ~30%, что делает их привлекательными для крыш, коммунальных объектов и даже портативных источников энергии.

Почему тандемные перовскитные элементы испытывают трудности

Перовскиты — кристаллоподобные материалы, которые эффективно поглощают свет и легко производятся из раствора. Чтобы превзойти пределы одиночных элементов, исследователи располагают широкозонный перовскит сверху узкозонного, формируя полностью-перовскитный тандем. Нижний, узкозонный элемент должен улавливать красную и ближнюю инфракрасную часть света, проходящую сквозь верхний элемент, и его свойства во многом определяют потолок эффективности тандема. К сожалению, свинцово-оловянные узкозонные пленки обычно формируются с шероховатой, богатой дефектами поверхностью. Олово склонно накапливаться и окисляться ближе к поверхности, возникает дефицит йода, а неровная поверхность плохо контактирует со слоем для извлечения электронов. В совокупности эти проблемы приводят к рекомбинации носителей заряда до того, как их удаётся отобрать, что теряет напряжение и ток.

Сглаживание светом вместо наждачной бумаги

Традиционные способы улучшения поверхностей перовскитов опираются на жидкие химикаты или физический контакт, которые могут повредить деликатные пленки и трудно поддаются контролю на больших площадях. В этой работе авторы разработали метод ультракоротких (пикосекундных) полировальных импульсов в ультрафиолетовом диапазоне, который не касается пленки. Сверхкороткие лазерные импульсы срезают лишь дефектные верхние десятки нанометров, выравнивая поверхность при минимальном нагреве основной кристаллической структуры. Микроскопия показывает, что средняя шероховатость уменьшается примерно в три раза, а химические измерения выявляют, что избыточное олово и дефицит йода на поверхности в значительной степени устранены. Глубина полировки регулируется мощностью лазера и скоростью сканирования, команда демонстрирует субнанометровую точность и отличную воспроизводимость между партиями.

Реконструкция более устойчивого поверхностного слоя

Лазерная полировка делает больше, чем просто срезает неровности; она оставляет перовскитную поверхность с множеством пустых «A‑позициЙ» в кристаллической решётке — местах, где обычно располагаются крупные органические ионы или ионы цезия. Исследователи обрабатывают эту свежевыявленную поверхность раствором бромида гуанидиния: крупные гуанидиниевые ионы способны образовывать прочные водородные связи и замедлять миграцию ионов. Эти ионы избирательно заполняют вакантные позиции у поверхности, реконструируя её в слой перовскита гуанидиний–цезий, который лучше упорядочен и менее деформирован, чем исходный. Рентгеновские и электронные микроскопические исследования показывают исчезновение искажений решётки и небольшое расширение верхних нескольких нанометров, что согласуется с большим размером гуанидиния. Оптические тесты фиксируют более яркую фотолюминесценцию и увеличенные времена жизни носителей — признаки меньшего числа дефектов и более однородного качества пленки на больших площадях.

От чистых поверхностей к более высокой эффективности

При изготовлении полноценных устройств преимущества суммируются. Отдельные узкозонные элементы с отполированными и реконструированными поверхностями демонстрируют более высокое напряжение, ток и коэффициент заполнения по сравнению с нелечеными контрольными образцами, а также значительно меньший гистерезис — показатель того, что подвижные ионы и нестабильные интерфейсы под контролем. Лучший свинцово-оловянный элемент достигает 24,07% КПД преобразования мощности, с независимо сертифицированным значением 23,47%, при использовании масштабируемого процесса, не зависящего от отверждения антисольвентом. Сочетание этого улучшенного нижнего элемента с широкозонным верхним перовскитом даёт полностью-перовскитный тандем с эффективностью 29,80% и хорошим совпадением между измеренным током и спектрально разрешённым откликом. Более крупные устройства и мини-модули, изготовленные тем же подходом, сохраняют высокие КПД, а инкапсулированные тандемы удерживают около 80% начальной производительности после примерно 650 часов непрерывной работы.

Что это значит для будущей солнечной энергетики

Используя бесконтактный лазер для точного удаления дефектного материала и затем реконструируя верхние несколько нанометров более устойчивым составом перовскита, работа решает одну из главных узких мест в продвинутых перовскитных тандемах: шероховатый, нестабильный интерфейс, расходующий заряды. Результат — более гладкие пленки, чище извлечение зарядов, сниженная миграция ионов и рекордные показатели для полностью-перовскитных тандемов без использования антисольвента. Поскольку метод регулируется, быстр и совместим с разными ширинами запрещённой зоны и структурами устройств, он предлагает универсальный инструмент для приближения перовскитной солнечной технологии к её теоретическим пределам и к реальному внедрению.

Цитирование: Ma, T., Luo, D., Ye, W. et al. Non-contact laser polishing and reconstruction towards high-efficiency all-perovskite tandem solar cells. Nat Commun 17, 4193 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71017-7

Ключевые слова: тендемные перовскитные солнечные элементы, лазерная полировка поверхности, инжиниринг интерфейсов, высокоэффективная фотовольтаика, тонкоплёночные солнечные технологии