Недавно разработанный мини-модуль на солнечных батареях стабильно работает даже в условиях затенения листьями или другими объектами. Политехнический университет Гонконга

Команда ученых из Гонконгского политехнического университета (PolyU) создала новый тандемный перовскитно-органический солнечный элемент, который продолжает хорошо работать, даже если часть его находится в тени.

Согласно результатам исследования, эти тонкопленочные солнечные элементы сохранили более 90 % своей первоначальной эффективности после воздействия сильного обратного смещения в минус 40 вольт, которое обычно вредит стандартным тонкопленочным солнечным элементам.

Когда деревья, облака, здания или даже птицы закрывают солнечный свет, солнечные панели могут испытывать обратное смещение. Это отрицательное напряжение снижает выработку электроэнергии и может привести к необратимому повреждению тонкопленочных солнечных элементов. По словам команды Политехнического университета Виргинии, их новая разработка гораздо более устойчива к этой проблеме, что делает технологию более практичной для использования в реальных условиях.

Скрытые дефекты приводят к повреждению солнечных элементов

Тонкопленочные солнечные технологии, такие как теллурид кадмия, селенид меди, индия и галлия, перовскит и органические солнечные элементы, популярны, потому что они легкие, гибкие и их производство обходится дешевле. Но все они дают сбой, когда часть панели оказывается в тени.

В таких условиях затененные ячейки могут создавать отрицательное напряжение, которое приводит к деформации материала. Поскольку в этих солнечных элементах движутся как электроны, так и ионы, слишком долгое воздействие обратного смещения может снизить их эффективность и в конечном итоге привести к повреждению. Повышение устойчивости к обратному смещению — ключевой фактор для увеличения срока службы.

Исследователи внимательно изучили органические солнечные элементы, поскольку до сих пор не до конца понятно, как они реагируют на обратное смещение, несмотря на то, что за последние годы их эффективность значительно возросла.

Профессор Ли Ган, заведующий кафедрой технологий преобразования энергии на факультете электротехники и электроники Политехнического университета Гонконга, сказал: «Мы добились значительных успехов в повышении стабильности органических солнечных элементов и органических тонкопленочных солнечных элементов в сложных условиях обратного смещения. Наше исследование вносит прорывной вклад в понимание принципов работы и долговечности органических и перовскитных солнечных технологий».

Исследовательская группа создала модули солнечных батарей разных размеров, которые сохраняют более 90 % своей первоначальной эффективности даже при отрицательном напряжении -40 В. Изображение предоставлено: Политехнический университет

Исследователи выявили причину сбоя при обратном смещении

Команда исследователей обнаружила, что повреждения возникают из-за дефектов, называемых глубокими ловушечными состояниями, в объемном гетеропереходе — слое, в котором вырабатывается электричество. Эти дефекты захватывают электрические заряды, что снижает эффективность и повышает вероятность необратимых повреждений при работе с обратным смещением.

Чтобы решить эту проблему, исследователи подавили изолированные акцепторные кластеры в области смешения доноров и акцепторов в солнечном элементе. Это сократило количество глубоких ловушечных состояний и значительно повысило долговечность устройств.

В результате новые органические солнечные элементы могут выдерживать напряжение пробоя более минус 35 вольт. Это означает, что они могут выдерживать обратное смещение до такого уровня без необратимых повреждений, что устанавливает новый стандарт стабильности и эффективности органических солнечных элементов.

Тандемные ячейки защищают слой перовскита

Исследование также показало, что усовершенствованные органические солнечные элементы защищают слой перовскита в тандемных солнечных элементах n-i-p на основе неорганического перовскита и органического материала. Они делают это, предотвращая обратное туннелирование, когда обратный ток вредит устройству при затенении.

Даже после воздействия напряжения в минус 40 вольт тандемные солнечные элементы сохранили более 90 % своей первоначальной эффективности.

Устройства также продемонстрировали высокую долговременную стабильность. После работы при напряжении минус 20 вольт в течение 12 часов их эффективность составила 90 % от начальной. После работы при напряжении минус 4,5 вольта в течение 2000 часов, или примерно 83 дней, их эффективность составила 97 %. По словам исследователей, эти результаты лучше, чем у современных тонкопленочных солнечных технологий.

Результаты основаны на ранее достигнутом повышении эффективности

Эта новая работа основана на более раннем исследовании команды опубликованном в Nature Energy в 2025 году. В этом исследовании они разработали тандемные солнечные элементы на основе неорганического перовскита и органических материалов с эффективностью преобразования энергии 25,9 %, которая была независимо подтверждена на уровне 25,1 % с использованием модуляции нижнего контакта.

В ходе нового исследования тандемные солнечные элементы достигли эффективности преобразования энергии более 26 % и стали гораздо более устойчивыми к обратному смещению. Это приближает технологию к использованию в реальных солнечных модулях.

«Исключительная стабильность при обратном смещении в условиях затенения была наглядно продемонстрирована в масштабируемых тандемных минимодулях на основе перовскита и органических материалов. Это значительный шаг вперед, открывающий путь к устойчивому и эффективному будущему, основанному на возобновляемых источниках энергии», — добавил Ли.

Новое исследование опубликовано в журнале Nature Materials.