Регулирование кинетики гидротермальной реакции с сульфидом натрия для сертифицированных солнечных элементов Sb2(S,Se)3 с эффективностью 10.7%

Более разумные солнечные материалы для чище будущего

Солнечные панели становятся дешевле и более распространёнными, но каждый дополнительный процент эффективности по‑прежнему важен для сокращения выбросов углерода и снижения затрат на энергию. В этой работе рассматривается новый тип солнечного материала из доступных элементов — сурьмы, серы и селена — и показано, как тщательная настройка водного низкотемпературного процесса выращивания позволяет выжать больше мощности из ультратонких солнечных элементов. Поняв и направив химию внутри герметичного нагретого водного реактора, исследователи увеличили эффективность этих экологичных устройств до сертифицированных 10.7%, одновременно выявив правила проектирования, которые помогут будущим тандемным и интегрированным в здания солнечным технологиям.

Многообещающий тонкий, экологичный солнечный слой

Солнечный материал, лежащий в основе этой работы и называемый сурьмяно‑селенсульфидом, привлекателен тем, что очень хорошо поглощает солнечный свет: слой всего в несколько сотен нанометров — гораздо тоньше человеческого волоса — способен захватить большую часть падающего излучения. Его настраиваемая «зонная ширина» меняется с соотношением серы и селена, что делает его хорошим кандидатом для установки поверх кремния в тандемных элементах, способных превзойти пределы эффективности современных однослойных конструкций. Не менее важно то, что его можно синтезировать при относительно низких температурах из растворов, используя распространённые элементы вместо дефицитных или токсичных металлов. Такое сочетание сильного поглощения, настраиваемости и технологичности превратило этот материал в лидера среди следующего поколения тонкоплёночных солнечных покрытий.

Когда быстрая химия создаёт скрытые препятствия

Для выращивания этих светопоглощающих плёнок многие группы используют гидротермальный метод: стекло с тонким «затравочным» слоем помещают в сосуд с тефлоновой выстилкой, заполненный водой и растворёнными солями, затем нагревают, чтобы на поверхности формировались кристаллы. При стандартных условиях источник сурьмы и содержащая серу соль легко реагируют, в то время как селен из добавленной органической молекулы внезапно высвобождается всплеском. Команда показывает, что этот выброс селена делает нижнюю часть плёнки обогащённой селеном, а верхнюю — серой, формируя вертикальный градиент состава. Микроскопические изображения выявляют пустоты и неравномерную структуру у основания, а карты свечения подтверждают, что энергетический ландшафт внутри плёнки наклонён неблагоприятным образом, заставляя носители заряда преодолевать энергетический «холм» при движении к внешнему контакту.

Использование простой соли для укрощения процесса роста

Ключевая инновация — добавление небольшого количества сульфида натрия в прекурсорный раствор. Этот дополнительный сульфид мягко повышает и стабилизирует кислотность раствора и меняет то, как соединения, содержащие серу и селен, формируются и реагируют со временем. Вместо внезапного всплеска селена с последующим истощением, его выделение становится постепенным и равномерным. В результате сера и селен включаются в структуру более равномерно в процессе роста, обеспечивая почти однородный состав от нижнего интерфейса до верхней поверхности. Электронная микроскопия и элементное картирование показывают, что структурные пустоты в основном исчезают, а соотношение серы и селена выравнивается по глубине. Одновременно дополнительный сульфид помогает превращать нежелательные кислородсодержащие побочные продукты в требуемый халькогенид, очищая плёнку по мере её формирования.

Чище пути для зарядов и меньше энергетических ловушек

Эти структурные и композиционные улучшения напрямую изменяют поведение материала по отношению к зарядам, создаваемым солнечным светом. Детальные измерения свечения по поперечному сечению плёнки показывают, что без добавки уровни энергии искривлены так, что блокируют поток положительно заряженных носителей (дыр), направляющихся к внешнему контакту. С добавлением сульфида натрия энергетические зоны выравниваются, устраняя этот барьер и позволяя дырам двигаться свободнее. Отдельные эксперименты спектроскопии дефектов показывают, что плотность глубоких «ловушечных» состояний — связанных с отсутствующими атомами серы и смещённой сурьмой — уменьшается примерно на два порядка величины. Меньше ловушек означает меньше безизлучательных рекомбинаций, где заряды теряются в виде тепла, и более высокая эффективная концентрация носителей, что снижает внутреннее сопротивление. В совокупности эти изменения увеличивают как ток, так и коэффициент заполнения устройств, хотя чуть более тонкий поглощающий слой вызывает небольшое снижение напряжения.

От тонких химических приёмах к лучшим солнечным элементам

Тщательно разобрав пути реакции в гидротермальном росте сурьмяно‑селенсульфида и затем намеренно замедлив и сгладив их с помощью сульфида натрия, исследователи показали, что скромные химические корректировки могут оказывать непропорционально большое влияние на характеристики солнечных элементов. Улучшенные плёнки демонстрируют коэффициент преобразования энергии 11.02% с независимо сертифицированным значением 10.7%, устанавливая новый ориентир для этого класса устройств. В более широком смысле работа показывает, как контроль химии раствора — а не только последовательное наслоение компонентов — может устранить скрытые градиенты и дефекты, ограничивающие эффективность. Эти выводы дают дорожную карту для доработки низкотемпературных материалов, обработанных из раствора, приближая нас к доступным, высокоэффективным тонкоплёночным и тандемным солнечным технологиям.

Цитирование: Qian, C., Sun, K., Huang, J. et al. Regulation of hydrothermal reaction kinetics with sodium sulfide for certified 10.7% efficiency Sb₂(S,Se)₃ solar cells. Nat Energy 11, 415–424 (2026). https://doi.org/10.1038/s41560-025-01952-0

Ключевые слова: солнечные элементы на основе сурьмяно-селенидно-сульфидных материалов, гидротермальные тонкоплёночные материалы, добавка сульфида натрия, снижение дефектов в фотоэлементах, тандемные солнечные технологии