Чэнду, Китай – 20 октября 2025 г.– Это знаковое достижение в области возобновляемых источников энергии: исследователи из Университета электронных наук и технологий Китая (UEESTC) разработали перовскитный солнечный элемент, сертифицированный КПД преобразования энергии которого составляет 25,13%. Этот прорыв был реализован путем включения двумерного карбида титана, известного как MXene, в качестве многофункциональной добавки в светопоглощающий слой перовскита. Это нововведение представляет собой значительный шаг не только в повышении производительности, но и в решении критических проблем стабильности и терморегулирования, которые исторически препятствовали коммерческому внедрению перовскитных фотоэлектрических элементов.
Новая структура ячеек, подробно описанная в исследовании «Многофункциональный MXene для управления температурным режимом в перовскитных солнечных элементах», опубликованном вМакро-Микробуквы, имеет подложку из стекла и оксида индия и олова (ITO), слой переноса электронов из оксида олова (SnO₂), поглотитель из перовскита, модифицированный MXene-, слой переноса дырок с использованием Spiro-OMeTAD и контакт с металлическим золотом.
В основе этого достижения лежат уникальные свойства MXene. Эти соединения, названные в честь своей графеноподобной-структуры, известны своей исключительной металлической проводимостью, высокой подвижностью носителей заряда и настраиваемыми поверхностными свойствами. Когда нанолисты Ti₃C₂Tₓ MXene внедряются в слой перовскита, они действуют как универсальный компонент, который одновременно улучшает рассеивание тепла и оптоэлектронные характеристики.
«Исследовательское сообщество в области солнечной энергетики ищет материал, который может одновременно оптимизировать извлечение заряда, повысить стабильность и легко обрабатываться. Многофункциональные преимущества MXene подчеркивают его большой потенциал для создания перовскитных солнечных элементов не только с высокой эффективностью преобразования энергии, но и с превосходной термической стабильностью», — заявила исследовательская группа.
Одной из наиболее важных функций добавки MXene является ее роль в управлении температурным режимом. Под постоянным солнечным светом накопление тепла внутри солнечных элементов является основной причиной снижения производительности. Исследовательская группа продемонстрировала, что включение нанолистов Ti₃C₂Tₓ создает эффективные пути теплопроводности внутри перовскитной пленки. Это увеличило теплопроводность слоя с 0,236 Вт·м⁻¹·K⁻¹ до 0,413 Вт·м⁻¹·K⁻¹ . Следовательно, рабочая температура солнечного элемента при стандартных условиях освещения снизилась примерно на 3 градуса, с 42,96 градуса до 39,97 градуса, что значительно уменьшило деградацию, вызванную перегревом.
Помимо управления температурным режимом, нанолисты MXene обладают множеством других преимуществ. Они служили эффективными пассиваторами дефектов на границах зерен кристаллов перовскита, уменьшая потери на рекомбинацию заряда. Это привело к получению более однородной и гладкой пленки перовскита с большим размером зерен, что подтверждается уменьшением шероховатости пленки с 24,9 нм до 15,2 нм. Кроме того, модифицированная перовскитная пленка продемонстрировала более сильное поглощение света в видимой области.
Совокупный эффект этих улучшений привел к рекордной-производительности. Чемпионское устройство достигло эффективности преобразования энергии 25,13%, что значительно выше эффективности эталонного элемента без MXene, равного 23,70%. Он также показал превосходные электрические характеристики: напряжение холостого-цепи 1,177 В, плотность тока короткого-замыкания 25,29 мА см⁻² и коэффициент заполнения 84,4 %.
Возможно, столь же важным, как и скачок эффективности, является заметное улучшение стабильности устройства. Элемент на основе MXene-сохранил около 80% своей первоначальной эффективности после 500 часов воздействия высоких-температур (85 градусов) и относительной влажности около 30-35%. В тесте на стабильность, проведенном в атмосфере азота с отслеживанием точки максимальной мощности, устройство сохранило 70% своей первоначальной эффективности через 500 часов, значительно превзойдя контрольную ячейку, производительность которой снизилась до 20% от первоначальной производительности. Эта надежная стабильность является критическим показателем потенциала технологии для долгосрочной эксплуатации.
Несмотря на многообещающие результаты, исследовательская группа признала, что на пути коммерциализации остаются проблемы, в первую очередь связанные с высокой стоимостью и сложностью синтеза материалов Ti₃C₂Tₓ. Будущие исследования будут сосредоточены на оптимизации маршрутов синтеза для снижения затрат и улучшения воспроизводимости. Исследование альтернативных материалов MXene, таких как Ti₂CTₓ, также является ключевым направлением будущей работы.
Этот прорыв, достигнутый благодаря стратегической интеграции MXene, проливает свет на более светлое и эффективное будущее солнечной энергетики. Это приближает тот день, когда высоко-производительные, долговечные и экономичные-фотоэлектрические элементы на основе перовскита станут основным источником экологически чистой энергии.
Относительно Китайского университета электронных наук и технологий (UEESTC):
Китайский университет электронных наук и технологий – это-давний национальный университет, известный своими исследовательскими программами в области электронных и информационных наук, материаловедения и энергетических технологий.
