97% ефективності після 2000 годин стрес-тестів: Китай показав сонячну батарею, яка не боїться тіні

Команда Гонконгського політехнічного університету (PolyU) створила новий перовскітно-органічний тандемний сонячний елемент, який добре працює навіть тоді, коли частина його знаходиться в тіні. Згідно з їхнім дослідженням, ці тонкоплівкові сонячні елементи зберегли понад 90% своєї початкової ефективності після впливу жорсткої зворотної напруги –40 В, яка зазвичай шкодить стандартним тонкоплівковим сонячним елементам.

Коли дерева, хмари, будівлі або навіть птахи блокують сонячне світло, сонячні панелі можуть відчувати зворотну напругу зміщення. Ця негативна напруга знижує вихід електроенергії та може безповоротно пошкодити тонкоплівкові сонячні елементи. Команда PolyU стверджує, що їхня нова конструкція набагато стійкіша до цієї проблеми, що робить технологію більш практичною для реального використання.

Приховані дефекти призводять до пошкодження сонячних елементів

Тонкоплівкові сонячні технології, такі як телурид кадмію, селенід міді-індію-галію, перовскіт та органічні сонячні елементи, популярні, оскільки вони легкі, гнучкі та дешевші у виробництві. Але всі вони мають проблеми, коли частина панелі затінена. За таких умов затінені елементи можуть створювати негативну напругу, яка навантажує матеріал. Оскільки ці сонячні елементи переносять як електрони, так і іони, тривале перебування під зворотним зміщенням може знизити їхню продуктивність і зрештою призвести до пошкодження. Підвищення їхньої стійкості до зворотного зміщення є ключем до довшого терміну служби.

“Ми досягли важливих успіхів у стабільності органічних сонячних елементів (OSC) та перовскітно-органічних тандемних сонячних елементів (POTSC) у складних умовах зворотного зміщення. Наші дослідження роблять проривний внесок у розуміння як роботи пристроїв, так і їхньої довговічності в органічних та перовскітних сонячних технологіях”, — сказав професор Лі Ган, завідувач кафедри технології перетворення енергії на кафедрі електротехніки та електронної інженерії Політехнічного університету.

Дослідники уважно вивчили органічні сонячні елементи, оскільки їхня реакція на умови зворотного зміщення досі недостатньо вивчена, хоча їхня ефективність значно покращилася за останні роки.

Дослідники визначили джерело пошкоджень під час зворотного зміщення

Команда встановила, що пошкодження виникають через дефекти, відомі як глибокі пасткові стани (deep trap states), у шарі об’ємного гетеропереходу (bulk heterojunction) — саме там утворюється електричний струм. Ці дефекти захоплюють електричні заряди, що знижує ефективність і значно підвищує ризик незворотних пошкоджень під час роботи в режимі зворотного зміщення.

“Щоб розв’язати проблему, дослідники придушили утворення ізольованих акцепторних кластерів у зоні змішування донорних і акцепторних матеріалів сонячного елемента. Це дозволило суттєво скоротити кількість глибоких пасткових станів і зробило пристрої значно довговічнішими”, — пише Interesting Engineering.

У результаті нові органічні сонячні елементи змогли витримувати пробивну напругу понад –35 В. Це означає, що вони здатні переносити таке зворотне зміщення без незворотних пошкоджень, встановлюючи новий стандарт стабільності та ефективності для органічних сонячних елементів.

Тандемні елементи захищають перовскітний шар

Дослідження також показало, що вдосконалені органічні сонячні елементи захищають перовскітний шар у неорганічних перовскітно-органічних тандемних сонячних елементах типу n-i-p. Це відбувається завдяки пригніченню явища зворотного тунелювання, коли зворотний струм пошкоджує пристрій під час затінення.

Дослідницька група виготовила модулі сонячних елементів різних розмірів, які зберігають понад 90 відсотків своєї початкової ефективності навіть за негативної напруги -40 В. Фото: Гонконгський політехнічний університет (PolyU)

Навіть після впливу напруги –40 В тандемні сонячні елементи зберегли понад 90% своєї початкової ефективності. Пристрої також продемонстрували високу довготривалу стабільність. Після роботи при –20 В протягом 12 годин вони зберегли 90% початкової ефективності. Після роботи при –4,5 В протягом 2000 годин (приблизно 83 дні) вони зберегли 97% своєї ефективності. За словами дослідників, ці результати перевершують можливості сучасних тонкоплівкових сонячних технологій.

Результати розвивають попередні досягнення в ефективності

Нова робота стала продовженням попереднього дослідження команди, опублікованого у журналі Nature Energy у 2025 році. Тоді вони створили тандемні (неорганічні + перовскітно-органічні) сонячні елементи типу n-i-p з ефективністю перетворення енергії 25,9%, яка була незалежно підтверджена на рівні 25,1%, використовуючи технологію модулювання нижнього контакту. Професор Лі Ган підсумував:

Спецпроєкти

“Виняткову стійкість до зворотного зміщення в умовах затінення було наочно продемонстровано на масштабованих мінімодулях перовскітно-органічних тандемних сонячних елементів. Це є значним кроком уперед і відкриває шлях до сталого та ефективного майбутнього, що базується на відновлюваних енергетичних системах”.

У новому дослідженні тандемні сонячні елементи досягли ефективності перетворення енергії понад 26% і стали значно стійкішими до навантажень, пов’язаних зі зворотним зміщенням. Це наближає технологію до практичного використання в реальних сонячних модулях. Дослідження опубліковано в журналі Nature Materials.