Китайские ученые побили мировой рекорд эффективности кестеритовых солнечных элементов
Китайские исследователи из Академии наук Китая (CAS) установили новый мировой рекорд эффективности для солнечных элементов на основе кестерита, достигнув показателя в 15,45%. В ходе испытаний разработанный командой фотоэлемент продемонстрировал эффективность преобразования энергии 15,45%, а также получил международный сертифицированный показатель эффективности 15,04%, что, по словам ученых, открывает путь к коммерциализации солнечных батарей нового поколения на основе этого материала.
Кестерит, природный минерал, состоящий из меди, цинка, олова и серы (CZTS), считается перспективным материалом для тонкопленочных солнечных элементов благодаря своей распространенности, нетоксичности и низкой стоимости производства. Как отмечает издание PV Magazine, в будущем не ожидается перебоев с поставками кестерита, что делает его более предпочтительным кандидатом по сравнению с соединениями CIGS, где прогнозируется дефицит. Однако ранее кестерит уступал CIGS в эффективности при массовом производстве, а попытки полностью реализовать его потенциал сдерживались дефектами, возникающими в процессе изготовления.
Предыдущий мировой рекорд для кестеритовых элементов составлял 14,2% и был установлен той же командой CAS в июне 2024 года. Чтобы добиться нового рекорда, исследователи решили ключевую техническую проблему — неконтролируемую миграцию ионов металлов, при которой подвижные ионы меняются местами внутри кристаллической решетки, создавая дефекты, снижающие эффективность, вызывающие постепенную деградацию и ухудшающие стабильность и долговременную надежность.
Для преодоления этой проблемы команда предложила новый механизм, использующий фазовое равновесие на границе раздела, и разработала межфазный слой на основе соединения сульфида лития и олова, известного как Li₂SnS₃ (LTS). Этот слой изменяет пути миграции катионов, уравновешивает различия в миграции меди и олова и стабилизирует переход, повышая эффективность и надежность. Как пояснили в CAS, замедление кинетики реакций с помощью LTS-прослойки обеспечивает более контролируемый рост зерен, способствуя формированию более крупных и однородных зерен, что значительно уменьшает глубокие дефекты и улучшает общее качество кристаллической структуры.
Испытания нового элемента в стандартных условиях освещения показали эффективность 15,45% и напряжение холостого хода, превышающее 600 мВ при ширине запрещенной зоны 1,10 эВ, что, по мнению ученых, является необычно высоким напряжением для этого материала и свидетельствует о преодолении давних проблем с потерями энергии. В связи с новым прорывом команда CAS также объявила о создании портфеля интеллектуальной собственности, охватывающего весь процесс с использованием LTS, что обеспечит поддержку для будущей индустриализации солнечных элементов на основе CZTSSe.