Достигнут важный прогресс в разработке новых тонкоплёночных фотоэлектрических технологий. Команда исследователя Мэн Цинбо из Института физики Китайской академии наук успешно изготовила крупноформатные тонкоплёночные фотоэлектрические модули на основе меди, цинка, олова, серы и селена, эффективность преобразования энергии которых достигла 13,0%, что побило мировой рекорд для модулей данного типа и заложило прочную основу для промышленного производства следующего поколения недорогих и экологически чистых солнечных батарей. Результаты исследования были опубликованы в международном академическом журнале Nature Materials.
Медь-цинк-олово-сера-селен — это новый тонкоплёночный фотоэлектрический материал, состоящий из таких элементов, как медь, цинк и олово, которые широко распространены в земной коре, недороги и экологически безопасны. Этот материал считается важным направлением для следующего поколения устойчивых солнечных батарей. За последние годы команда Мэн Цинбо десять раз обновляла мировой рекорд эффективности таких батарей. Однако для перехода от «лабораторной звезды» к практическому применению остаётся одна ключевая проблема: при увеличении размеров устройства однородность тонкой плёнки резко снижается, а вместе с ней падает и эффективность.
«Проблема кроется в растворном процессе», — поясняет Мэн Цинбо. В традиционных методах ионы металлов и органические молекулы образуют сложную сшитую сеть, что приводит к неравномерному испарению растворителя, распределению элементов и процессу кристаллизации. Это похоже на тесто с комками: раскатанная «лепёшка» плёнки получается разной толщины. Чтобы решить эту проблему, команда подошла к ней на молекулярном уровне, введя формамид в качестве «координатора», который точно регулирует координационную структуру ионов металлов и органических молекул, успешно разрушая хаос сшивки.
На основе этой стратегии молекулярной координационной регуляции команда разработала технологию нанесения раствора, пригодную для крупномасштабного непрерывного производства, и получила высокооднородную тонкую плёнку Cu₂ZnSn(S,Se)₄ на подложке площадью 10 квадратных сантиметров. Из этой плёнки был изготовлен малый элемент площадью 1 квадратный сантиметр с сертифицированной эффективностью 14,2%; а при лазерном скрайбировании для создания модуля из 6 последовательно соединённых субэлементов общей площадью 10,5 квадратных сантиметров сертифицированная эффективность по-прежнему составила 13,0%.
«Это убедительно доказывает, что технология тонких плёнок Cu₂ZnSn(S,Se)₄ не только хорошо работает на малых площадях в лаборатории, но и обладает потенциалом для масштабирования производства и промышленного внедрения», — отмечает Мэн Цинбо. Это исследование открывает новые пути для крупносерийного производства недорогих и экологически чистых тонкоплёночных фотоэлектрических модулей.