Kontaktfri laserpolering och rekonstruktion mot högpresterande hel‑perovskit tandemsolceller

Få solpaneler att fungera bättre

Solpaneler blir billigare och vanligare, men dagens standarddesigner förlorar fortfarande mycket av solens energi som värme. Ett av de mest lovande sätten att utvinna mer elektricitet ur solljus är att stapla två solceller ovanpå varandra, vardera anpassad till olika delar av solljusets spektrum. Denna studie visar hur en ny typ av ”kontaktfri polering” med laserljus kan åtgärda en central svaghet i sådana staplade perovskitceller och driva deras verkningsgrad nära 30 %, en nivå som är attraktiv för framtida tak-, nät- och bärbara kraftlösningar.

Varför staplade perovskitceller har problem

Perovskiter är kristalliknande material som kan absorbera solljus mycket effektivt och är lätta att tillverka från lösning. För att överträffa gränsen för enkelceller staplar forskare en perovskit med bredt bandgap ovanpå en med smalt bandgap och bildar ett hel‑perovskit tandem. Den undre, smalbandiga cellen måste fånga det röda och närinfraröda ljus som passerar genom toppcellen, och dess prestanda avgör i hög grad tandemens tak. Tyvärr bildas bly‑tenn smalbandiga filmer ofta med en ojämn, defektfylld yta. Tenn tenderar att ackumulera och oxidera nära ytan, jod blir bristfälligt och den skrovliga ytan ger dålig kontakt med elektronuttagande lager. Tillsammans gör dessa brister att laddningsbärare rekombinerar innan de kan utvinnas, vilket slösar både spänning och ström.

Slätning med ljus istället för sandpapper

Konventionella metoder för att förbättra perovskitytor förlitar sig på flytande kemikalier eller fysisk kontakt, vilka båda kan skada de känsliga filmerna och är svåra att kontrollera över stora ytor. I detta arbete utvecklade författarna en pikosekund‑ultraviolett laserpoleringsmetod som aldrig rör filmen. Ultrakorta laserpulsar skär endast bort de defekta övre tiotals nanometrarna, vilket planar ut ytan samtidigt som uppvärmning av underliggande kristall minimeras. Mikroskopi visar att medelruheten minskar med ungefär en faktor tre, och kemiska analyser avslöjar att överskottstenn och saknat jod vid ytan i stor utsträckning avlägsnas. Poleringsdjupet kan styras med lasereffekt och skanningshastighet, och teamet uppvisar subnanometerprecision och utmärkt repeterbarhet över många partier.

Återuppbygga ett friskare ytskikt

Laserpoleringen gör mer än att bara jämna ut bucklor; den lämnar en perovskityta med många tomma ”A‑platser” i kristallramen — platser där stora organiska eller cesiumjoner normalt sitter. Forskarna behandlar denna nyskapade yta med en lösning som innehåller guanidiniumbromid, vars stora guanidiniumjoner kan bilda starka vätebindningar och tenderar att bromsa jonrörelser. Dessa joner fyller selektivt de tomma platserna nära ytan och rekonstruerar den till ett guanidinium–cesium‑perovskitlager som är mer ordnat och mindre belastat än tidigare. Röntgen‑ och elektronmikroskopi visar att distorsioner i kristallgittret försvinner och att de översta få nanometrarna expanderar något, förenligt med guanidiniums större storlek. Optiska tester visar starkare fotoluminiscens och längre laddarbärarlivslängder, vilket signalerar färre defekter och mer enhetlig filmkvalitet över stora ytor.

Omvandla renare ytor till högre verkningsgrad

När teamet bygger fullständiga enheter multipliceras fördelarna. Enstaka smalbandiga celler tillverkade med de polerade och rekonstruerade ytorna visar högre spänning, ström och fill‑factor än obehandlade referenser, samtidigt som de uppvisar mycket mindre hysteresis — en indikator på att rörliga joner och instabila gränssnitt har dämpats. Den bästa bly‑tenn‑cell uppnår en verkningsgrad på 24,07 %, med oberoende certifiering på 23,47 %, genom en skalbar process som inte förlitar sig på antisolvent‑kylning. Att stapla denna förbättrade undercell under en bredbandig topp‑perovskit ger ett hel‑perovskit tandem med 29,80 % verkningsgrad och god överensstämmelse mellan uppmätt ström och spektralt uppdelad respons. Större enheter och minimoduler tillverkade med samma metod behåller höga verkningsgrader, och inkapslade tandemceller behåller cirka 80 % av sin ursprungliga prestanda efter ungefär 650 timmars kontinuerlig drift.

Vad detta innebär för framtidens solenergi

Genom att använda en kontaktfri laser för att precis ta bort defekt material och sedan återuppbygga de översta nanometrarna med en mer robust perovskitsammansättning, angriper detta arbete en av huvudflaskhalsarna i avancerade perovskit‑tandems: ett grovt, instabilt gränssnitt som slösar laddning. Resultatet är slätare filmer, renare laddningsutdragning, minskad jonmigration och rekordhöga verkningsgrader för antisolventfria hel‑perovskit‑tandems. Eftersom metoden är justerbar, snabb och kompatibel med olika bandgap och enhetsstrukturer, erbjuder den ett brett användbart verktyg för att driva perovskit‑solteknik närmare dess teoretiska gränser och mot verklig implementering.

Citering: 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

Nyckelord: perovskit tandemsolceller, laserpolering av yta, gränssnittsmodifiering, högpresterande solenergi, tunnfilmssolteknik