Разработка тонкоплёночных прозрачных проводящих оксидов Zn1−xSnxO и Mg1−xSnxO для применения в перовскитных солнечных элементах

Почему прозрачные электроды важны для солнечной энергетики

Современные солнечные панели делают больше, чем просто преобразуют солнечный свет в электричество; они также демонстрируют продуманные материалы, которые пропускают свет и одновременно проводят электрический ток. В этом исследовании рассматриваются два таких прозрачных проводящих покрытия из распространённых элементов с целью заменить нынешний дорогой промышленный стандарт и поддержать более безопасные бессвинцовые перовскитные солнечные элементы.

Новые прозрачные покрытия из обычных металлов

Исследователи сосредоточились на прозрачных проводящих оксидах — стеклообразном переднем слое, который одновременно пропускает свет и собирает заряды в множестве устройств, от экранов телефонов до солнечных элементов. Взамен обычных материалов на основе индия, которые дороги и дефицитны, они создали две альтернативы, сочетая оксид олова с цинком или магнием. Эти новые покрытия, названные ZTO и MTO, были изготовлены простым распылительным методом, который может покрывать большие стеклянные пластины без сложного вакуумного оборудования.

Распыление, нагрев и настройка плёнок

Для получения покрытий команда растворяла соли металлов в спирте и распыляла аэрозоль на разогретое стекло, затем отжигала плёнки при высокой температуре. Тщательно изменяя составное соотношение цинка или магния к олову и затем отжигая плёнки, они могли управлять толщиной, кристаллической структурой и внутренними дефектами. Рентгеновские измерения показали, что нагрев улучшал упорядочение атомов и уменьшал количество дефектов, тогда как электронная микроскопия продемонстрировала более регулярные зерна и более ровное покрытие после термообработки, что в целом способствует более лёгкому перемещению зарядов.

Баланс между прозрачностью и проводимостью

Хороший передний слой для солнечного элемента должен быть одновременно максимально прозрачным и максимально проводящим — качества, которые часто противоречат друг другу. Оптические испытания показали, что и плёнки ZTO, и MTO пропускают примерно 76–80 процентов видимого света, даже после утолщения до уровней, достаточных для эффективной проводимости. Одновременно электрические измерения подтвердили, что плёнки эффективно переносят отрицательные заряды: лучшие образцы на основе магния достигали очень высокой концентрации носителей и низкого электрического сопротивления. Этап нагрева немного сужал оптические запрещённые зоны плёнок и уменьшал нежелательные химические группы — изменения, связанные с улучшением переноса заряда без значительной потери прозрачности.

Встраивание новых слоёв в реальные солнечные элементы

Чтобы проверить работу этих покрытий на практике, команда собрала простые перовскитные солнечные элементы с бессвинцовым поглотителем на основе хлорида цезия и олова и с недорогим графитовым задним контактом. Такая конструкция была выбрана не с целью побить рекорды КПД, а чтобы ясно показать, как передние покрытия влияют на работу устройства. Когда новые слои ZTO и MTO заменили традиционные прозрачные электроды, полученные устройства вырабатывали измеримую мощность при стандартном освещении. Элементы с ZTO достигали примерно 3,5 процента преобразования мощности, тогда как устройства с MTO — около 6,4 процента, благодаря более высокому току и слегка большему напряжению.

Что это значит для будущих солнечных технологий

Исследование показывает, что прозрачные проводящие покрытия на основе олова и магния могут соперничать по оптической ясности с современными стандартными материалами, одновременно предлагая хорошую электрическую производительность и используя более доступные элементы. Из двух протестированных вариантов плёнки на основе магния показали лучшие результаты внутри рабочих перовскитных солнечных элементов, в основном потому, что они проводили электричество более эффективно, при этом всё ещё пропуская много света. Хотя эти устройства ещё не готовы для крыш или электростанций, результаты указывают на перспективный путь к более дешёвым, свободным от индия и потенциально более безопасным солнечным модулям, основанным на масштабируемых методах распылительного напыления.

Цитирование: Kiruthiga, G., Kumar, M.S., Raguram, T. et al. Development of Zn_1−xSn_xO and Mg_1−xSn_xO transparent conducting oxide thin films for perovskite solar cell applications. Sci Rep 16, 15968 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42690-x

Ключевые слова: прозрачный проводящий оксид, перовскитные солнечные элементы, распылительная пиролиз, тонкоплёночные оксиды олова, электроды без индия