HKUST вывел перовскитные солнечные элементы на 29% КПД через молекулярный дизайн

Перовскитные солнечные элементы — один из самых горячих трендов в возобновляемой энергетике. Их лабораторный КПД давно превзошёл традиционные кремниевые панели, а производство обещает быть значительно дешевле. Главная проблема — долговечность: большинство перовскитных элементов деградируют слишком быстро для коммерческих условий. Новая работа инженеров Гонконгского университета науки и технологий (HKUST), опубликованная одновременно в *Joule* и *Nature Communications*, предлагает конкретный ответ: молекулярный дизайн граничных слоёв.

Почему интерфейс так важен

В тандемном солнечном элементе два или более поглощающих слоя с разными оптическими свойствами располагаются друг над другом, захватывая разные части солнечного спектра. Это позволяет преодолеть фундаментальные ограничения однослойных элементов. Но на границах между слоями неизбежно возникают дефекты, где электроны рекомбинируют вместо того, чтобы течь в цепь. Именно там теряется значительная доля КПД и именно там начинается деградация при нагреве и свете.

Традиционный способ защитить эту границу — использовать полимер PEDOT:PSS. Его проблема: он поглощает влагу и способствует расслоению кристаллической структуры.

Решение в первой статье (Joule, КПД 29,1%)

Группа под руководством профессора Линь Янь-Хуна заменила PEDOT:PSS молекулой 4PAPT — феnotиазин-содержащим самоорганизующимся монослоем. Тонкий слой молекул, выстраивающихся самостоятельно на поверхности, контролирует кристаллизацию перовскита непосредственно на интерфейсе, подавляет нерадиационную рекомбинацию и при этом не привлекает влагу.

Результат: тандемный перовскитный элемент достиг КПД 29,1% — лучший показатель для конфигурации без PEDOT:PSS. Инкапсулированные образцы сохранили 90% начальной эффективности после непрерывной работы более 800 часов при ~40°C.

Решение во второй статье (Nature Communications, инаргонические перовскиты)

Параллельно команда разработала альтернативный подход для полностью неорганических перовскитов (более стойких к теплу, но уязвимых к влаге). Молекула TTFS самоорганизуется на поверхности, формируя одновременно гидрофобный барьер и пассивирующий слой. Сертифицированная эффективность четырёхтерминального тандема достигла 21,54% — лучший показатель для этого класса. Стабильность: 80% начального КПД после 1210 часов при 65°C.

Практическое значение

Читайте также по теме: технологиях чистой энергии.

Суммарное послание двух статей: интерфейсы в тандемных перовскитных элементах — не просто технические прокладки. Правильно спроектированные молекулы на этих границах способны одновременно устранять дефекты, управлять кристаллизацией и защищать от деградации. Это меняет подход к проектированию перовскитных панелей — от «попробуем разные материалы» к «спроектируем нужную молекулу для нужного интерфейса».