Эффективность перовскитно-органических тандемных солнечных элементов в Нанкинском университете Китая достигла 27,35%

Репортаж от Wedoany，Исследователи Нанкинского университета (Nanjing University) изготовили перовскитно-органический тандемный солнечный элемент, в котором нижний органический субэлемент использует низкоэнергетический (LBG) акцептор, что усиливает поглощение в ближней инфракрасной (NIR) области и одновременно снижает потери напряжения.

Чжэн Циндун (Qingdong Zheng), автор-корреспондент статьи, отметил, что одним из ключевых факторов, ограничивающих эффективность перовскитно-органических тандемных солнечных элементов, является более низкая плотность фототока, генерируемого низкоэнергетическим органическим субэлементом, по сравнению с широкозонным (WBG) перовскитным субэлементом. Этот дисбаланс фототока в основном обусловлен значительным перекрытием спектров внешней квантовой эффективности (EQE) двух субэлементов вблизи края поглощения перовскитного слоя. Поэтому разработка высокоэффективных ближнеинфракрасных акцепторов имеет решающее значение для уменьшения спектрального перекрытия, улучшения согласования фототока и, в конечном итоге, повышения характеристик тандемного устройства.

По словам исследователей, в предыдущих работах с помощью стратегий молекулярной инженерии было разработано множество неполлереновых акцепторов (NFA) для усиления ближнеинфракрасного поглощения низкоэнергетических органических солнечных элементов, что позволило перовскитно-органическим тандемным устройствам достичь сертифицированной эффективности преобразования энергии от 22,0% до 26,4%.

Для дальнейшего повышения эффективности команда разработала и синтезировала новый неполлереновый акцептор Zh-F с оптической шириной запрещённой зоны 1,23 эВ. В основе этого материала лежит сильно электронодонорное гетерогептаценовое ядро, что направлено на сужение оптической ширины запрещённой зоны и дальнейшее расширение поглощения света в ближнюю инфракрасную область.

Для снижения потерь напряжения и улучшения отклика на длинноволновое излучение исследователи объединили Zh-F с высокоэффективным неполлереновым акцептором BTP-eC9 из семейства органических полупроводников серии Y. Оба акцептора в сочетании с полимерным донором PM6 образуют тройной гетеропереход, обеспечивающий комплементарное поглощение света и повышение спектральной эффективности.

Полученный в результате тройной органический солнечный элемент PM6:BTP-eC9:Zh-F достиг эффективности преобразования энергии 19,84%, напряжения холостого хода 0,853 В, плотности тока короткого замыкания 29,00 мА см⁻² и потерь напряжения всего 0,510 В.

Чжэн Циндун отметил, что введение Zh-F в систему PM6 позволяет одновременно усилить сбор ближнеинфракрасных фотонов, перенос заряда, диссоциацию экситонов и динамику рекомбинации, а также подавить потери напряжения, что делает его весьма подходящим для применения в перовскитно-органических тандемных солнечных элементах.

Этот органический элемент образует тандемную структуру с перовскитным верхним элементом. Эффективность преобразования энергии перовскитного верхнего элемента составляет 19,45%, напряжение холостого хода — 1,32 В, плотность тока короткого замыкания — 17,63 мА см⁻², коэффициент заполнения — 83,65%.

Исследователи создали монолитный перовскитно-органический тандемный элемент на стеклянной подложке с оксидом индия-олова (ITO). Перовскитный верхний элемент состоит из дырочно-транспортного слоя (HTL) оксида никеля (NiOₓ), самоорганизующегося монослоя (SAM) Ph-4PACz, широкозонного перовскитного поглощающего слоя и электронно-транспортного слоя (ETL) бакминстерфуллерена (C₆₀).

Соединительный рекомбинационный слой электрически связывает перовскитный передний субэлемент с низкоэнергетическим органическим задним субэлементом. Органический элемент включает дырочно-селективный слой Ph-2PACz, органический фотоактивный поглощающий слой, электронно-транспортный слой на основе интерфейсного материала PDIP на базе перилендиимида и металлический контактный электрод из серебра (Ag).

Вышеописанная структура образует монолитное двустороннее перовскитно-органическое тандемное устройство: перовскитный передний элемент улавливает фотоны более высокой энергии, а органический задний элемент расширяет сбор света в ближнюю инфракрасную область.

В стандартных условиях освещения данный тандемный элемент достигает эффективности преобразования энергии 27,35%, напряжения холостого хода 2,16 В, плотности тока короткого замыкания 15,35 мА см⁻² и коэффициента заполнения 82,39%. Для сравнения, контрольное тандемное устройство с традиционными акцепторами имеет эффективность 25,69%.

Чжэн Циндун сообщил, что данное тандемное устройство получило сертифицированную эффективность 26,88%, что является подтверждённой наивысшей эффективностью среди известных перовскитно-органических тандемных солнечных элементов. Помимо эффективности, неинкапсулированное устройство также продемонстрировало хорошую стабильность, сохранив 80% первоначальных характеристик после примерно 744 часов непрерывного освещения в условиях 1 солнца.

Соответствующие результаты опубликованы в журнале «Joule» под названием «Достижение 27,35% эффективности в перовскитно-органических тандемных солнечных элементах за счёт улучшения ближнеинфракрасного поглощения с помощью низкоэнергетического акцептора».

В июне 2025 года исследователи из Сингапурского института солнечной энергии (SERIS) заявили о достижении эффективности преобразования энергии 26,4% при использовании аналогичной структуры.