Моделирование в Silvaco TCAD, оптическое моделирование и оптимизация для тандемных солнечных элементов на перовските и u-CIGS с высоким током и КПД выше 30%

Более чистая энергия за счёт более умного сбора солнечного света

В то время как мир ищет способы сократить выбросы углерода при растущем спросе на энергию, от солнечных панелей требуется извлекать больше электроэнергии из каждого луча солнца. В этом исследовании рассматривается новый тип тандемного солнечного элемента, в котором уложены два продвинутых светопоглощающих материала: цель — выжать больше электричества из того же солнечного излучения, избегая при этом дефицитных или токсичных элементов, таких как свинец и индий. Работа использует подробные компьютерные симуляции, чтобы показать, как такая конструкция в реальности может достичь КИП выше 30%, что является существенным шагом по сравнению с большинством крышных панелей сегодня.

Почему многослойная структура повышает эффективность

Обычные солнечные панели используют один светопоглощающий слой, поэтому они могут улавливать только фотоны с энергией, достаточной для преодоления зоны запрещённых энергий этого материала. Фотоны с более высокой энергией теряют избыток в виде тепла, а фотоны с более низкой энергией проходят сквозь — оба случая означают потерю солнечной энергии. Тандемный солнечный элемент решает эту проблему, укладывая два разных поглотителя. Верхний слой настроен на поглощение более «синей», более энергичной части спектра, тогда как нижний слой улавливает «красную», менее энергичную световую составляющую, которая проходит сквозь верхний. Поскольку каждый слой работает ближе к своему оптимальному энергоинтервалу, комбинированное устройство может преобразовывать бóльшую долю солнечного света в полезную электрическую энергию.

Создание более экологичного тандемного элемента: без свинца и без индия

Авторы проектируют двухслойное устройство, в котором верхний элемент выполнен из безсвинцового перовскита — метиламмонийбисмутйодида (MBI), а нижний элемент представляет собой тонкую плёнку известного полупроводника CIGS (медно‑индий‑галлий‑селенид). Чтобы избежать использования дефицитного индия в прозрачном переднем электроде, они заменяют широко применяемое оксидное индий‑олово (ITO) фторсодержащим легированным оксидом олова (FTO). FTO не только устраняет проблемы с поставками, но и выдерживает более высокие температуры и механические нагрузки, что делает его привлекательным для масштабного производства. Смоделированный одиночный MBI‑элемент с FTO достигает более 15% КПД сам по себе, что создаёт солидную основу для наслоения его поверх CIGS‑слоя.

Как тщательная настройка открывает высокий КПД

Простейшее наложение одного элемента на другой не гарантирует улучшения: оба субэлемента должны выдавать одинаковый электрический ток при последовательном соединении, иначе более слабый ограничит всё устройство. Для решения этой задачи исследователи используют двухэтапный численный поиск, чтобы точно подобрать толщину MBI‑слоя так, чтобы токи верхнего и нижнего элементов совпадали с малой погрешностью. Они также моделируют, как свет отражается, интерферирует и поглощается при прохождении через каждый слой — от стеклянного покрытия и переднего контакта FTO, через перовскит и очень тонкий золотосодержащий соединительный слой, вниз в плёнку CIGS и металлический задний контакт. Одновременно они рассчитывают движение электронов и дырок, их рекомбинацию и сбор, используя физические модели, проверенные на реальных экспериментах с одиночными элементами.

Что показывают симуляции о тандемном элементе

С учётом всех этих деталей в смоделированном тандемном устройстве верхний MBI‑слой имеет толщину порядка 420 нанометров поверх 500‑нанометровой плёнки CIGS. Верхний элемент поглощает почти весь свет с длинами волн короче примерно 650 нанометров, в то время как фотоны с большей длиной волны проходят и эффективно улавливаются CIGS. В результате плотность тока в обоих слоях совпадает и близка к 20 миллиамперам на квадратный сантиметр. При идеализированных допущениях относительно совершенства материалов и оптических потерь модель выдаёт впечатляющий коэффициент преобразования мощности примерно 36%. При введении более реалистичных уровней дефектов и потерь на интерфейсах производительность снижается до порядка 30%, что всё ещё существенно выше большинства коммерческих однощелевых панелей и сопоставимо с лучшими тандемными прототипами, опубликованными в последние годы.

Почему этот подход важен для будущих солнечных панелей

Для неспециалистов ключевая мысль такова: продуманная конструкция — а не экзотическая новая физика — может вывести солнечные панели далеко за пределы нынешних ограничений по КПД. Наслаивая безсвинцовый перовскит, настроенный на синий свет, поверх CIGS‑слоя, настроенного на красный свет, и заменяя дефицитный индий более прочным стеклом с FTO, авторы очерчивают путь к более чистым, более мощным и более устойчивым солнечным модулям. Их симуляции служат дорожной картой, показывая, какие толщины слоёв, контактные материалы и качества интерфейсов имеют решающее значение. Если материаловеды смогут приблизиться к этим условиям в лаборатории и на производстве, солнечные панели, преобразующие треть или более приходящего солнечного света в электричество, могут стать практической реальностью, помогая удовлетворять глобальные потребности в энергии с меньшим количеством панелей, меньшей занятостью земли и меньшим экологическим воздействием.

Цитирование: Mosalanezhad, R., Shayesteh, M.R. & Pourahmadi, M. Silvaco TCAD modeling, optical simulation, and optimization for high-current perovskite and u-CIGS tandem solar cells with efficiencies above 30%. Sci Rep 16, 8611 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39816-6

Ключевые слова: тандемные солнечные элементы, перовскитная фотоэлектрика, тонкоплёночные CIGS, безсвинцовые солнечные материалы, моделирование солнечных элементов