Недавно тандемные солнечные элементы на основе перовскита показали КПД выше 30%. Но есть проблема: почти половина света просто отражается и теряется, не превращаясь в энергию. Теоретический предел для таких элементов — 45%, но из-за отражения до него далеко.

Группа исследователей из Университета науки и технологий Хуачжун (Китай) под руководством Чао Чена предложила необычное решение — двойную зубчатую структуру. Она снижает потери на отражение на 18,34%, открывая путь к новому уровню эффективности.

Результаты опубликованы в издании Frontiers of Optoelectronics.

Почему свет «убегает» из солнечного элемента

Основная проблема — отражение. Тандемные элементы состоят из двух слоев перовскита: один улавливает коротковолновый свет, другой — длинноволновый. Казалось бы, это должно дать максимальный охват спектра. Но на практике до 10,84% фотонов (в диапазоне 300–1050 нм) отражаются, так и не попав внутрь. Особенно заметны пики отражения на 350 нм и 950 нм — там потери превышают 20%.

Как двойные «зубцы» превращают элемент в ловушку

Ученые создали на передней и задней поверхностях элемента микроскопические зубцы разной высоты:

• Передние (550 нм) работают как линзы, фокусируя свет в верхнем слое.
• Задние (400 нм) вызывают плазмонный резонанс в инфракрасном диапазоне, заставляя фотоны многократно отражаться внутри нижнего слоя.

В результате свет, попав внутрь, почти не может вырваться обратно — как в лабиринте с зеркальными стенами. Эксперименты подтвердили: потери тока из-за отражения упали с 4,47 до 3,65 мА/см².

Почему это важно

• Раньше оптимизировали только одну поверхность, теперь — обе сразу, что резко снижает потери на всех длинах волн.
• Технология совместима с массовым производством и почти не увеличивает стоимость.
• Моделирование показывает: КПД элемента может вырасти с 30,1% до 31,13%.

Мы проектируем не просто солнечный элемент, а путь солнечного света — чтобы каждый фотон нашел свой дом, — говорит Чао Чен.

Возможно, именно эта разработка из Оптической долины Уханя станет ключом к новой эре зеленой энергетики.

Такие работы приближают нас к коммерчески viable солнечным панелям с КПД выше 30%. Это не только снизит стоимость энергии, но и:

• Уменьшит площадь станций при той же мощности.
• Сделает солнечную генерацию стабильнее в пасмурном климате.
• Позволит интегрировать фотоэлементы в строительные материалы без потерь эффективности.

Пока неясно, как зубчатая структура поведет себя в реальных условиях — например, при загрязнении пылью или дождем. Микрорельеф может усложнить очистку и снизить долговечность.

Ранее ученые предложили разбавить кремний перовскитом в солнечных батареях.