Исследователи из Китайской академии наук (CAS) разработали четырехтерминальный тандемный солнечный элемент, в котором широкозонный перовскит используется в качестве верхнего элемента, а медь-индий-галлий-селен (CIGS) — в качестве нижнего. Благодаря технологии координационной инженерии удалось решить проблему стабильности широкозонных перовскитных материалов. Тандемное устройство сохраняет более 91% первоначальной эффективности после 2000 часов непрерывной работы, а общая эффективность достигает 29,71%.
Широкозонные перовскитные поглощающие слои длительное время сталкиваются с проблемой деградации характеристик, вызванной светоиндуцированным фазовым разделением и миграцией ионов галогенидов. Исследовательская группа отметила, что дефекты, связанные с недостаточной координацией свинца, и соответствующие вакансии галогенидов являются ключевыми факторами нестабильности — эти дефекты не только служат центрами рекомбинации, нарушая локальную кристаллическую решетку, но и создают каналы для миграции ионов галогенидов. Традиционные стратегии пассивации после обработки позволяют частично уменьшить количество дефектов после кристаллизации, однако их контроль над образованием дефектов в процессе роста пленки ограничен, и светоиндуцированное разделение галогенидов при длительной эксплуатации по-прежнему трудно подавить.
Для решения этой проблемы исследователи использовали серосодержащее органическое соединение — бис(2-пиридилметил)сульфид (2PyS), позволяющее точно регулировать локальное координационное окружение ионов свинца (Pb) в перовскитном слое. Связь 2PyS с иодидом свинца (PbI₂) прочнее, чем с широко используемыми растворителями — диметилформамидом (DMF) и диметилсульфоксидом (DMSO), что позволяет более эффективно регулировать координационное окружение ионов свинца в процессе формирования перовскита, влияя тем самым на процесс кристаллизации. Измерения фотолюминесценции in situ показали, что 2PyS регулирует кинетику кристаллизации, подавляет быструю нуклеацию и способствует более равномерному росту пленки, что в конечном итоге снижает безызлучательную рекомбинацию, повышает структурную целостность и фазовую стабильность.
Верхний перовскитный элемент включает передний электрод из оксида индия-олова (ITO), дырочный транспортный слой из оксида никеля (NiOx), интерфейсный слой из самособирающегося монослоя (SAM), перовскитный светопоглощающий слой, электронный транспортный слой из фуллерена C60, буферный слой из оксида олова (SnO₂), прозрачный электрод из ITO и металлический контакт из серебра (Ag). Нижний субэлемент CIGS состоит из тыльного электрода из молибдена (Mo), поглощающего слоя CIGS, буферного слоя из сульфида кадмия (CdS) и оконного слоя на основе оксида цинка (собственный i-ZnO и легированный алюминием Al:ZnO).
Результаты испытаний показали, что отдельный нижний элемент CIGS достигает эффективности преобразования мощности 19,65% при освещении полным спектром; при работе под полупрозрачным перовскитным верхним элементом эффективность субэлемента снижается до 7,5% из-за уменьшения доступного падающего света вследствие спектральной фильтрации. Эффективность верхнего элемента составляет 22,21%, а общая эффективность интегрированного четырехтерминального (4T) тандемного устройства достигает 29,71%. Исследовательская группа заявила, что это одна из самых высоких эффективностей, когда-либо зарегистрированных для четырехтерминальных тандемных солнечных элементов на основе перовскита/CIGS.
Результаты исследования опубликованы в журнале IPOScience под названием «Coordination-regulated defect suppression enables stable wide-bandgap perovskites for efficient perovskite/CIGS tandem solar cells».