Фотоэлектрические тандемные солнечные элементы на основе перовскитового материала, в которых два разных перовскитовых слоя наложены друг на друга, обещают достижение эффективности, сравнимой с тандемными перовскит-кремниевыми устройствами — 30%. Они обладают лучшей гибкостью, значительно меньшим весом и низким экологическим воздействием по сравнению с технологиями, основанными на кремниевых пластинах.
В ранних полностью перовскитных тандемных устройствах наблюдались проблемы с низким напряжением холостого хода и коэффициентом заполнения из-за дефектов на поверхности смешанных пленок перовскита. Это приводило к рекомбинации на границе раздела между перовскитным поглотителем и электрон-транспортным слоем бакминстерфуллерена (C60), что означает потерю энергии.
Общая стратегия разработки новых решений заключается в снижении рекомбинационных потерь перовскитных ячеек на границе раздела путем нанесения двумерного слоя перовскита на поверхность перовскита. За счет этого образуется двумерная или трехмерная структура гетероперехода. Однако двумерный перовскит, полученный после обработки раствором, имеет плохую однородность и низкую проводимость, что не способствует переносу и извлечению носителей заряда через границу раздела.
Чтобы решить эти проблемы, исследователи разработали новую трехмерную двухслойную гетероструктуру из перовскита. С помощью комбинации вакуумного напыления и обработки раствором ученые создали трехмерную пленку перовскита из чистого свинца с широкой запрещенной зоной и смешанную пленку перовскита из свинца и олова с узкой запрещенной зоной. Запрещенная зона — это своего рода «барьер» для электронов в материале, где они не могут свободно перемещаться. Это позволило эффективно переносить носители заряда из поглощающего слоя перовскита в слой, отвечающий за перенос электронов, и снизило потери при рекомбинации на границе между перовскитом и C60, улучшая напряжение холостого хода, коэффициент заполнения и эффективность солнечных элементов.
В результате солнечная батарея из таких элементов достигла эффективности преобразования энергии 28,5%, напряжения холостого хода 2,112 В, тока короткого замыкания 6,5 мА/см² и коэффициента заполнения 81,9%, при этом Лаборатория по электробезопасности и окружающей среде Японии сертифицировала стабильную эффективность 28,0%. Упакованные тандемные устройства сохраняют более 90% исходной производительности после 600 часов непрерывной работы под имитацией освещения солнечным светом.
Полностью перовскитные тандемные солнечные элементы могут использоваться в производстве электроэнергии на электростанциях, фотоэлектрических системах на крышах, каталитическом разложении воды, каталитическом разложении углекислого газа и в космических задачах благодаря высокому напряжению на открытой цепи и высокой эффективности.
