Изследователи от Политехническия университет в Хонконг разработиха перовскитно-органични тандемни слънчеви клетки, които демонстрират изключително висока устойчивост на засенчване – един от основните проблеми при тънкослойните фотоволтаични технологии. Новите клетки запазват 97% от първоначалната си ефективност след 2000 часа работа при обратно напрежение, а при екстремно натоварване от -40 V съхраняват над 90% от производителността си. Постижението доближава технологията до масово практическо приложение.
Дървета, облаци, сгради или дори птици често хвърлят сянка върху фотоволтаичните панели. При тънкослойните слънчеви клетки подобно частично засенчване може да предизвика обратно напрежение, което намалява производството на електроенергия и в крайна сметка води до необратимо увреждане на модулите.
Това е общ проблем за почти всички водещи тънкослойни технологии, включително кадмиево-телуридните (CdTe), CIGS, перовскитните и органичните слънчеви клетки. Макар че те предлагат предимства като ниско тегло, гъвкавост и по-евтино производство, устойчивостта им при обратно напрежение досега ограничаваше по-широкото им внедряване.
Разбиране на проблема
Екипът на проф. Ли Ган от Политехническия университет в Хонконг насочва вниманието си към процес, който рядко попада във фокуса на изследванията – поведението на органичните слънчеви клетки при обратно напрежение.
Учените установяват, че основната причина за деградацията се крие в т.нар. дълбоки капани за електрически заряд в активния слой на клетката. Те задържат носителите на заряд, понижават ефективността на преобразуване и ускоряват разрушаването на материала.
Изследователите успяват да ограничат образуването на изолирани акцепторни клъстери в активния слой. Така те значително намаляват броя на дефектите и създават органични слънчеви клетки с необратимо пробивно напрежение над -35 V. Това означава, че при напрежение до тази граница клетките не претърпяват трайни повреди.
Защита на перовскитния слой
Новата архитектура подобрява не само органичната клетка, но и защитата на перовскитния слой в тандемната структура. Потискането на обратното тунелиране на заряда предотвратява натрупването на разрушителни процеси при засенчване.
При изпитанията устройствата демонстрират впечатляваща устойчивост. След въздействие на екстремно обратно напрежение от -40 V те запазват над 90% от първоначалната си ефективност.
Още по-впечатляващи са резултатите при продължителна експлоатация. След 12 часа работа при -20 V клетките съхраняват 90% от ефективността си, а след 2000 часа при -4,5 V запазват 97% от първоначалната производителност. Според авторите това надминава показателите на всички съществуващи тънкослойни фотоволтаични технологии.
Към индустриално производство
Освен високата устойчивост новите перовскитно-органични тандемни клетки постигат ефективност на преобразуване на слънчевата енергия над 26%. Това представлява подобрение спрямо предходната разработка на същия екип, публикувана през 2025 г. в списание Nature Energy, при която беше отчетена сертифицирана ефективност от 25,1%.
Последните резултати, публикувани в Nature Materials, показват, че технологията вече съчетава две ключови характеристики – висока ефективност и изключителна устойчивост при реални експлоатационни условия. Това е особено важно за комерсиализацията на тънкослойните соларни модули, тъй като засенчването е неизбежен фактор при инсталации върху покриви, фасади и в градска среда.
Екипът вече е демонстрирал тези характеристики и в мащабируеми минимодули, което според авторите е важна стъпка към внедряването на перовскитно-органичните тандемни слънчеви клетки в бъдещи фотоволтаични системи.
