Китайская академия наук добилась мирового рекорда эффективности кестеритовых солнечных элементов — 15,45 %
Аккумулятор Challenger G12-200H
Ячейка была изготовлена с использованием новой стратегии межфазного фазового равновесия, которая подавляет неконтролируемую миграцию ионов металлов. Устройство показало исключительно высокое напряжение холостого хода — более 600 мВ при ширине запрещенной зоны 1,10 эВ.
Кестерит в настоящее время является наиболее перспективной полностью неорганической тонкопленочной фотоэлектрической технологией, основанной на экологически чистых решениях, не требующих использования критически важного сырья.
Китайская академия наук (КАН) создала кестеритовый (CZTSSe) солнечный элемент, который достиг мирового рекорда по эффективности преобразования энергии — 15,45 % при сертифицированной эффективности 15,04 %.
Кестерит — один из наиболее перспективных материалов для поглощения света, который потенциально можно использовать в недорогих тонкопленочных солнечных элементах. Кестериты содержат такие распространенные элементы, как медь, олово, цинк и селен. В отличие от соединений CIGS, в будущем не возникнет проблем с поставками. Однако кестерит все же менее эффективен, чем CIGS, при массовом производстве.
До этого последнего результата мировой рекорд для кестеритовых элементов составлял 14,2 %, установленный в июне 2024 года той же компанией CAS для устройств лабораторного масштаба.
Исследователи решили проблему, с которой часто сталкиваются при работе с устройствами на основе CZTSSe, — неконтролируемую миграцию ионов металлов. Это происходит, когда подвижные ионы, в том числе меди, олова и цинка, меняют свое положение в кристаллической решетке, создавая дефекты, которые действуют как центры рекомбинации и снижают эффективность. Под действием электрического поля эти ионы могут мигрировать к интерфейсам или границам зерен, вызывая гистерезис в зависимости «ток — напряжение» и постепенное снижение производительности. Мигрирующие ионы также могут вступать в реакцию с другими слоями, образуя вторичные фазы, которые снижают стабильность и долгосрочную надежность.
Чтобы решить эту проблему, ученые предложили новую стратегию, основанную на межфазном фазовом равновесии. Они разработали межфазную структуру на основе соединения сульфида олова и лития, известного как Li₂SnS₃ (LTS), которое изменяет пути миграции катионов и контролирует движение подвижных ионов. Эта межфазная структура уравновешивает различия в миграции меди и олова, уменьшает количество дефектов антиструктуры и стабилизирует межэлементный переход, повышая эффективность и долгосрочную надежность устройства.
«Интерфаза LTS избирательно изолирует промежуточные зерна CTSSe, тем самым становясь слоем, определяющим скорость миграции ионов, — пояснили ученые. — Разница в барьерах миграции между цинком и оловом уменьшается с 0,41 эВ в CTSSe до 0,21 эВ в интерфазе LTS. Замедляя кинетику реакции, интерфаза LTS обеспечивает более контролируемый рост зерен, способствуя формированию более крупных и однородных зерен. Это значительно снижает количество дефектов на глубоких уровнях и улучшает общее качество кристаллической структуры».
При тестировании в условиях стандартного освещения ячейка показала эффективность 15,45 % и напряжение холостого хода более 600 мВ при ширине запрещённой зоны 1,10 эВ, что является исключительно высоким показателем для кестерита. Неизвестная третья сторона подтвердила эффективность на уровне 15,04 %.
«Этот прорыв позволил создать портфель интеллектуальной собственности, охватывающий весь процесс низкотемпературной сверхпроводимости, что обеспечило теоретическую и техническую поддержку для внедрения в производство солнечных элементов на основе CZTSSe», — заявили исследователи.