Исследователи из Китая разработали технологию изготовления перовскитных солнечных элементов без метиламмония (MA), одного из компонентов, снижающих термическую стабильность некоторых перовскитных материалов. Используя нанесение активного слоя методом slot-die coating в условиях окружающего воздуха и комбинацию двух химических добавок, учёные получили солнечный модуль с активной площадью 54,80 см² и эффективностью преобразования энергии 22,70%. Для отдельных малых элементов эффективность достигла 26,16%.
Работу выполнила исследовательская группа под руководством профессора Ян Дуна из Даляньского института химической физики Китайской академии наук (DICP CAS) совместно с Даляньским транспортным университетом. Результаты опубликованы в журнале Advanced Materials в статье «Processing Window Expansion Enables Uniform Crystallization in Scalable Ambient-Fabricated Perovskite Photovoltaics».
Почему отказ от метиламмония важен
Метиламмоний (MA) — органический катион, используемый в составе некоторых перовскитных фотоактивных материалов. При повышенных температурах и воздействии других факторов окружающей среды соединения на его основе могут разлагаться с образованием летучих продуктов, что способствует деградации кристаллической структуры и снижению эффективности солнечных элементов.
Вместо таких соединений исследователи использовали бессвободную от метиламмония систему FAₓCs₁₋ₓPbI₃, основанную на формамидинии, цезии и йодиде свинца. Однако у этой композиции есть собственная технологическая проблема: кристаллизация протекает медленнее, а вероятность образования нежелательных кристаллических фаз выше. При нанесении материала на большую площадь это затрудняет получение однородной плёнки, особенно в условиях обычного воздуха.
Для решения проблемы учёные разработали комбинированную стратегию добавок, включающую тиоцианат формамидиния (FASCN) и тиоцианат рубидия (RbSCN). Эти соединения воздействуют на разные стадии формирования кристаллической структуры и усиливают действие друг друга.
Две добавки управляют кристаллизацией
FASCN способствует зарождению кристаллов после вакуумной обработки нанесённой плёнки и последующему росту кристаллических зёрен. RbSCN выполняет другую функцию: ионы рубидия Rb⁺ могут занимать A-позиции в кристаллической решётке перовскита, ослабляя механические напряжения и снижая энергетический барьер образования фотоактивной α-фазы.
Это особенно важно для перовскитов на основе формамидиния. Они могут формировать две различные кристаллические модификации: фотоактивную α-FAPbI₃ и практически не участвующую в генерации электричества δ-FAPbI₃. Подавление образования нежелательной δ-фазы позволяет повысить качество поглощающего слоя и улучшить перенос зарядов.
Совместное применение FASCN и RbSCN позволило увеличить технологическое окно равномерной кристаллизации до более чем 100 секунд. Это означает, что процесс сохраняет возможность формирования качественной плёнки в более широком временном интервале между нанесением материала и последующей термической обработкой.
В результате учёные получили плотные плёнки с крупными кристаллическими зёрнами, однородным вертикальным распределением компонентов и меньшими остаточными напряжениями. Такой контроль структуры материала позволяет уменьшить количество дефектов, ухудшающих работу солнечного элемента.
Как отметил руководитель исследования Чжихуа Чжан, предложенный подход не столько ужесточает требования к контролю технологического процесса, сколько делает саму кристаллизацию менее чувствительной к отклонениям условий производства.
26,16% на малых элементах и 22,70% на модуле
Используя новую технологию, исследователи получили КПД 26,16% на малых солнечных элементах. При переходе к модулю с активной площадью 54,80 см² эффективность составила 22,70%.
Для сравнения: контрольный модуль, изготовленный без комбинированной системы добавок, показал эффективность лишь 15,8%. Таким образом, предложенный подход обеспечил прирост на 6,9 процентного пункта.
Не менее интересными оказались результаты испытаний стабильности. Незакapsулированные солнечные элементы после 1300 часов непрерывного отслеживания точки максимальной мощности (Maximum Power Point Tracking, MPPT) сохранили 97,76% первоначальной эффективности. Испытания проводились при стандартном спектре солнечного излучения AM 1.5G и температуре 65 °C.
Для контрольных устройств, изготовленных без добавок, остаточная эффективность за тот же период составила только 65,86%.
Важно, что испытания проводились без герметизирующей оболочки. Это позволяет оценить собственную устойчивость фотоактивного материала и качество сформированной структуры, хотя не заменяет испытаний долговечности готовых модулей в реальных климатических условиях.
Шаг к промышленному производству перовскитных панелей
Важное преимущество разработки заключается в использовании метода slot-die coating — нанесения раствора через специальную дозирующую головку с узкой щелью. В отличие от центрифужного нанесения (spin coating), которое широко применяется при изготовлении лабораторных образцов, эта технология позволяет равномерно распределять материал по большой поверхности подложки с контролируемой толщиной слоя.
Метод отличается высокой эффективностью использования исходного материала и совместим с непрерывными производственными линиями roll-to-roll, в которых гибкая подложка проходит через последовательные технологические операции.
Однако масштабирование перовскитных солнечных элементов с лабораторных образцов до модулей остаётся сложной задачей. Необходимо обеспечить одинаковые условия нанесения и кристаллизации по всей площади, исключить дефекты плёнки и сохранить стабильность характеристик при длительной эксплуатации.
Предложенная комбинация добавок решает одну из ключевых проблем такого производства — узкое технологическое окно кристаллизации. Тем самым исследование приближает технологию перовскитных фотоэлементов к более масштабируемым производственным процессам.
Тем не менее модуль площадью 54,80 см² пока нельзя считать полноценной демонстрацией промышленного масштабирования. Следующий этап — проверка технологии на существенно больших площадях, оценка воспроизводимости характеристик в серийном производстве и длительные испытания готовых панелей.
Станут ли перовскитные солнечные элементы реальной альтернативой кремниевым модулям, если удастся одновременно решить проблемы масштабирования и долговечности? Или даже такие результаты пока слишком далеки от требований массовой энергетики?
Источник: https://www.pv-magazine.com/2026/11/11/chinese-scientists-build-54-80-cm%c2%b2-methylammonium-free-perovskite-solar-module-with-22-7-efficiency/Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
