Исследователи из Института науки и технологий Австрии (ISTA) в своей последней работе, опубликованной в журнале Nature Communications, объяснили, почему свинцово-галогенидные перовскитные солнечные элементы могут работать с высокой эффективностью даже при наличии дефектов. Это открытие разгадывает давнюю загадку, которая озадачивала ученых, и может способствовать развитию солнечных технологий следующего поколения.

Почему несовершенные солнечные элементы работают так хорошо

Свойства свинцово-галогенидных перовскитных материалов уже приближаются к характеристикам традиционных кремниевых солнечных элементов, но их производство обходится дешевле. На протяжении последних 15 лет этот материал считается перспективным конкурентом для солнечных элементов следующего поколения. В отличие от кремниевой технологии, требующей высокочистого кремния, перовскиты можно производить дешевыми растворимыми методами, демонстрируя при этом сопоставимую производительность. Исследователи ISTA Дмитро Рак и Жаныбек Алпичшев обнаружили механизм их высокой эффективности: естественно формирующаяся сеть структурных дефектов позволяет зарядам перемещаться на большие расстояния.

Рак заявил: "Наша работа впервые дает физическое объяснение для этих материалов, одновременно охватывая большинство их задокументированных свойств". Кремниевые элементы зависят от высокой чистоты, в то время как перовскиты извлекают выгоду из дефектов. Исследование выявило резкий контраст с традиционными технологиями.

Солнечные элементы должны преобразовывать солнечный свет в заряды, которые должны перемещаться на сотни микрометров, не будучи захваченными. Кремниевые элементы решают эту проблему путем устранения дефектов, но перовскиты естественно содержат дефекты, и их высокая эффективность удивительна. Команда ISTA обнаружила, что внутри перовскитов существуют внутренние силы, разделяющие заряды, которые предотвращают рекомбинацию электронов и дырок. Это разделение происходит в определенных областях, называемых "доменными стенками", формируя взаимосвязанную сеть.

Для визуализации доменных стенок Рак разработал новый метод, вводя ионы серебра в качестве маркеров. Ионы серебра собираются вдоль доменных стенок и превращаются в металлическое серебро, делая сеть видимой под микроскопом. Алпичшев сказал: "Эта техника аналогична ангиографии в живой ткани, но исследует микроструктуру кристалла".

Сеть доменных стенок действует как "скоростное шоссе для зарядов", направляя их эффективное движение. Рак объяснил: "Когда электрон-дырочные пары генерируются вблизи доменных стенок, локальное электрическое поле растаскивает их в стороны, заставляя дрейфовать вдоль стенок и перемещаться на большие расстояния". Это решает вопрос о том, как заряды проходят через материал с дефектами.

Исследователи подчеркивают, что это открытие дает единое объяснение поведения перовскитов. Рак сказал: "С этой полной картиной мы наконец можем согласовать предыдущие противоречивые наблюдения и разрешить давние споры об источнике их эффективности сбора энергии". Предыдущие попытки улучшить перовскитные элементы в основном фокусировались на корректировке химического состава, с ограниченным прогрессом. Новое понимание открывает путь к инженерии внутренней структуры, что потенциально может повысить эффективность, не жертвуя преимуществом низкой стоимости. Эти выводы имеют ключевое значение для продвижения солнечных технологий следующего поколения из лаборатории к применению.

Детали публикации: Авторы: Dmytro Rak, Dusan Lorenc, Daniel M. Balazs, Ayan A. Zhumekenov, Osman M. Bakr, Zhanybek Alpichshev; Название: «These cheap solar cells work better because they’re flawed»; Опубликовано в: «Nature Communications» (2026); Информация о журнале: «Nature Communications».