Солнечные элементы на основе дихалькогенидов переходных металлов с двумя носителями‑селективными контактами

Производство энергии из ультратонких материалов

Представьте себе солнечную панель, настолько тонкую, что она почти прозрачна, но при этом эффективно улавливает свет. В этом исследовании рассматривают, как листы особых кристаллов толщиной всего в несколько миллиардных долей метра можно превратить в лёгкие, мощные солнечные элементы. Исследователи демонстрируют новый способ «подключения» таких ультратонких материалов, который снижает потери энергии — шаг, способный помочь будущим панелям обеспечивать питание для спутников, электромобилей и портативной электроники, где каждый грамм и каждый ватт имеют значение.

Почему нужны новые слои в солнечных элементах

Большинство современных солнечных элементов изготовлены из относительно толстых пластин кремния или других полупроводников. В отличие от них, дихалькогениды переходных металлов (TMD), такие как WS2, могут очень эффективно поглощать видимый свет даже при толщине в несколько нанометров. Это делает их привлекательными для приложений, где критичны малый вес и гибкость. Однако при непосредственном контакте этих ультратонких кристаллов с металлическими электродами многие генерируемые заряды просто рекомбинируют и рассеиваются в виде тепла на интерфейсе. Такие эффекты, как плохое выравнивание энергетических уровней и нежелательные пути тока, существенно снижают напряжение и КПД по сравнению с тем, что предсказывает простая теория.

«Сэндвич»-конструкция, направляющая заряды

Чтобы это исправить, команда заимствовала идеи из высокопроизводительных кремниевых и перовскитных солнечных элементов, которые используют «носители‑селективные контакты», пропускающие только один тип заряда. Они построили вертикальную структуру с активной зоной всего 10 нанометров: ультратонкий слой WS2 посередине, снизу — органический слой, селективный по дыркам, называемый PTAA, а сверху — электрон‑селективный слой фуллерена (C60), покрытый металлическими электродами. Свет поглощается в слое WS2, а селективные контакты сконструированы так, чтобы электроны уходили вверх в C60, а дырки — вниз в PTAA, при этом нежелательная рекомбинация на металлических интерфейсах сильно подавлена.

Настройка слоёв для плавного движения тока

В ранних версиях устройства выходная характеристика выглядела S‑образной — признак того, что одна из сторон элемента работает как узкое место. Моделирование и эксперименты показали, что электронно‑селективный слой C60 был менее проводящим, чем слой PTAA, что вызывало накопление зарядов и потери энергии. Уменьшив толщину слоя C60 с 20 нанометров до всего 2 нанометров, исследователи значительно улучшили баланс между двумя контактами. Финальные устройства достигли напряжения холостого хода 523 милливольт, коэффициента заполнения 0,54 и эффективности преобразования энергии 2,4% при стандартном солнечном освещении для листа WS2 толщиной всего 10 нанометров.

Взгляд внутрь: как перемещаются заряды

С помощью тонко сфокусированных лазерных лучей команда картировала, как ток распространяется по устройству. Они обнаружили, что заряды, генерируемые далеко от металлического контакта, всё ещё могут собираться, что указывает на то, что электроны в среднем путешествуют около 13 микрометров до рекомбинации — поразительно далеко по сравнению с толщиной поглотителя. Дополнительные измерения показали, что малые по числу носители в WS2 сохраняются примерно 100 пикосекунд, в то время как поведение устройства указывает на то, что основные носители фактически живут гораздо дольше, так как они эффективно извлекаются селективными контактами. Это сочетание большой длины пробега зарядов и направленного извлечения помогает ультратонкому устройству извлекать большую долю поглощённого света.

Что ограничивает напряжение и как его улучшить

Далее исследователи спросили, насколько близки их устройства к предельной эффективности, определяемой самим материалом. Объединив оптические модели с простыми формулами, зависящими от времени жизни носителей, они показали, что короткое время выживания зарядов в многослойных TMD является ключевым фактором, ограничивающим напряжение. Для WS2 толщиной 10 нанометров с временем жизни 100 пикосекунд теоретический предел напряжения составляет примерно 663 милливольта — всего около 140 милливольт больше, чем они уже достигли. Чтобы выйти за эти рамки, авторы предлагают повысить чистоту и улучшить структуру слоёв TMD, чтобы увеличить время жизни носителей до микросекунд, а также дополнительно оптимизировать материалы контактов, чтобы их уровни энергии и проводимости лучше соответствовали WS2 или родственному TMD, такому как WSe2.

Путь к практическим ультра‑лёгким солнечным элементам

Проще говоря, эта работа показывает, что тщательно настроенные «односторонние двери» для положительных и отрицательных зарядов могут открыть гораздо лучшую производительность ультратонких фотоактивных материалов. Новый двухконтактный элемент на WS2 уже демонстрирует приличное напряжение и КПД для столь тонкого поглотителя, а основные принципы конструкции применимы к другим TMD и методам крупно‑площадочного производства. С увеличением времени жизни зарядов, улучшением контактов и оптимизированными структурами для удержания света такие перьезаданные солнечные элементы в будущем могут соперничать с традиционными панелями, предлагая значительно большую мощность на единицу массы для космических миссий, транспортных средств и носимой электроники.

Цитирование: Went, C.M., Tham, R.W., Jahelka, P.R. et al. Dual carrier-selective contact transition metal dichalcogenide solar cells. npj 2D Mater Appl 10, 50 (2026). https://doi.org/10.1038/s41699-026-00684-3

Ключевые слова: ультратонкие солнечные элементы, дихалькогениды переходных металлов, носители‑селективные контакты, фотоэлементы WS2, энергия с высокой удельной мощностью