В отличие от лабораторных условий, реальная эксплуатация подвергает солнечные панели экстремальным перепадам температур: от заморозков ночью до палящего зноя днем. Эти циклы нагрева-охлаждения вызывают раннюю фазу деградации, которая может снизить относительную производительность ячеек, сообщает EurekAlert.

«Если мы хотим видеть эти элементы на каждой крыше, мы должны обеспечить их устойчивость к сезонным нагрузкам, а не только работу в лаборатории», — отметил Петер Мюллер-Бушбаум, возглавлявший группу исследователей из Технического университета Мюнхена. Его команда выявила микроскопические причины этой нестабильности и разработала новые стратегии проектирования перовскитовых фотоэлементов.

Метод, в разработке которого также приняли участие ученые из центра DESY (Германия) и Королевского технологического института Стокгольма (Швеция), позволяет сделать верхний слой тандемных солнечных элементов настолько прочным, чтобы выдерживать реальные условия эксплуатации.

Используя высокоразрешающие рентгеновские измерения, исследователи наблюдали процесс «дыхания» материала при быстрых изменениях температуры: расширение и сжатие кристаллической решетки. Как выяснилось, деградация происходит в начальной фазе, в течение которой ячейки могут терять до 60% относительной производительности. Внутри материала возникают напряжения, его структура меняется — и мощность снижается.

Затем ученые выяснили, как стабилизировать чувствительный кристаллический материал с помощью специальных органических молекул, действующих как распорки, удерживающие структуру — молекулярный каркас. Сравнивая различные молекулы, команда обнаружила, что органическая молекула PDMA действует как превосходный «якорь», предотвращая структурный распад. Это позволяет создать значительно более устойчивую ячейку, сохраняющую стабильность при механических нагрузках быстрого нагрева и охлаждения.

«Будущее фотовольтаики — за тандемными структурами. Понимая эти микроскопические механизмы, мы прокладываем путь к новому поколению солнечных панелей, которые одновременно обладают высокой эффективностью и достаточной долговечностью на десятки лет эксплуатации под открытым небом», — подчеркнул Мюллер-Бушбаум.

Прошлой осенью крупный производитель кремниевых пластин и фотоэлементов Longi объявил о создании гибкого тандемного солнечного элемента на основе перовскита и кремния площадью 1 см² с новым рекордом эффективности преобразования энергии — 33,35%.