Инвертированные (p-i-n) перовскитные солнечные элементы стали перспективной технологией следующего поколения благодаря низкотемпературной технологичности, хорошей стабильности устройств и совместимости с коммерческими кремниевыми подложками для создания тандемных структур. В настоящее время высокоэффективные лабораторные устройства в основном зависят от малоформатного центрифугирования в инертной атмосфере. Переход этой технологии к крупномасштабному промышленному производству в воздушной среде является ключевым направлением для устойчивого использования солнечной энергии.

Однако промышленное внедрение перовскитной фотоэлектрики по-прежнему сдерживается двойным барьером — масштабируемостью производства и долговременной стабильностью работы. При нанесении методом дозирования в воздушной среде влага и кислород легко нарушают кристаллизацию и микроструктуру перовскитных плёнок. Более того, существующие материалы для транспорта дырок с трудом сочетают эффективный перенос заряда, прочную фиксацию на подложке и хорошую смачиваемость растворами. Традиционные маломолекулярные самоорганизующиеся слои не обеспечивают равномерного конформного покрытия на текстурированных кремниевых подложках, а обычные полимеры из-за своей высокой гидрофобности препятствуют нанесению чернил, что приводит к накоплению дефектов на границах раздела и значительному ускорению деградации устройств.

Для решения этих проблем объединённая команда учёных из Нанкинского университета, Технологического института Джорджии, Гонконгского университета науки и технологий и других организаций провела углублённые исследования с использованием профилометров серии JS от ZEPTOOLS. Команда инновационно разработала и синтезировала сополимерный материал для транспорта дырок PNCC, содержащий триариламиновые и карбазолфосфоновые звенья, что позволило эффективно сочетать высокую проводимость, прочную фиксацию на подложке и хорошую смачиваемость растворами. Благодаря этому удалось успешно реализовать масштабируемое производство высокоэффективных и стабильных однопереходных элементов, модулей и перовскитно-кремниевых тандемных солнечных элементов в воздушной среде.

Название: Scalable ambient fabrication of single-junction and perovskite–silicon tandem solar cells 
Журнал: Nature Sustainability 
Ссылка: https://doi.org/10.1038/s41893-026-01916-6

Исследование сосредоточено на разработке новых материалов для транспортного слоя дырок, пригодных для изготовления в воздушной среде, чтобы преодолеть ключевое ограничение инвертированных перовскитных солнечных элементов — трудность одновременного достижения высокой проводимости, смачиваемости и прочности закрепления на подложке. В ответ на недостатки традиционных маломолекулярных самоорганизующихся молекул (склонность к агломерации и узкое технологическое окно) и чрезмерную гидрофобность обычных полимеров, исследовательская группа разработала и синтезировала новый сополимерный транспортный материал PNCC. Путем сополимеризации триариламиновых мономеров с карбазолфосфоновыми звеньями, стерические эффекты подавили побочные реакции циклизации карбазольных звеньев в процессе полимеризации, что значительно повысило молекулярную массу полимера и подвижность зарядов. Кроме того, плотно распределённые по цепям фосфоновые группы образуют множественные прочные химические связи с подложкой из прозрачного проводящего оксида, что значительно усиливает адгезию на границе раздела и снижает шероховатость поверхности, эффективно улучшая растекание и смачивание перовскитного прекурсора на подложке, создавая микроинтерфейсную основу для формирования высококачественных перовскитных плёнок.

При реализации масштабируемого нанесения в воздушной среде и изучении микроструктуры плёнок точный контроль нанометровой толщины и пространственной однородности функциональных слоёв является ключевым условием для эффективного извлечения носителей заряда. Группа исследователей провела систематическое нанесение методом дозирования в открытой воздушной среде с относительной влажностью около 40%, используя профилометры серии JS от ZEPTOOLS для точного измерения и калибровки толщины полученных функциональных плёнок. Данные измерений подтвердили, что толщина осаждённых плёнок PNCC стабильно составляет 9–10 нм, а толщина перовскитного поглощающего слоя — около 800 нм. Благодаря строгой характеризации физических размеров плёнок с помощью профилометров серии JS от ZEPTOOLS, команда подтвердила, что этот материал обладает отличной гладкостью и покрытием даже при нанометровой толщине, что не только обеспечивает более широкое технологическое окно по сравнению с традиционными мономолекулярными слоями, но и даёт надёжную структурную основу для объяснения механизмов пассивации глубоких ловушек на границах раздела.

В отношении эффективности преобразования и долговременной стабильности однопереходных инвертированных перовскитных элементов и модулей исследование глубоко изучило микроскопический механизм подавления безызлучательной рекомбинации новым транспортным слоем дырок. В условиях полного нанесения в воздушной среде однопереходные элементы на основе PNCC достигли эффективности преобразования 26.6% с потерей напряжения всего 0.30 В, а крупноформатные фотоэлектрические модули с эффективной площадью 19.11 см² показали высокую эффективность 23.2%. Многочисленные характеризации подтвердили, что этот материал значительно снижает плотность глубоких ловушек на границах раздела, способствуя однородному излучению и экстракции заряда. В испытаниях на долговечность герметизированные устройства сохраняли 99.8% начальной эффективности после 1200 ч непрерывного облучения полным спектром при 40°C и отслеживании точки максимальной мощности, а также продемонстрировали превосходную устойчивость при повышенных температурах 65°C и 85°C и при ускоренном старении под УФ-излучением, что позволило преодолеть технический барьер быстрой деградации устройств, изготовленных в воздушной среде.

Для решения промышленной проблемы трудно достигаемого конформного покрытия на микротекстурированных поверхностях с пирамидальной структурой в перовскитно-кремниевых тандемных элементах исследование успешно распространило применение этого сополимера на монолитные двухконтактные тандемные устройства. Традиционные самоорганизующиеся материалы склонны к образованию агрегатных дефектов на шероховатых кремниевых поверхностях, что обычно требует сложных двухслойных буферных структур из напылённого оксида никеля. PNCC же благодаря своим превосходным плёнкообразующим свойствам обеспечивает плотное, безагрегатное конформное покрытие непосредственно на текстурированных кремниевых подложках. В качестве самостоятельного транспортного слоя дырок этот материал не только эффективно подавляет фазовое разделение в широкозонных перовскитных верхних элементах, но и, при упрощённой архитектуре без дополнительных буферных слоёв, достигает сертифицированной эффективности тандемного преобразования 33.0%, сохраняя 85% начальной эффективности после 1140 ч непрерывного облучения при 65°C. Этот результат значительно упрощает технологические этапы изготовления высокоэффективных тандемных устройств, предлагая решение, обладающее как научной ценностью, так и промышленной осуществимостью для крупноформатного, недорогого и высокостабильного производства фотоэлектрических элементов следующего поколения.

Профилометры серии JS от ZEPTOOLS, представляя собой образец высокоточного отечественного оборудования для измерения поверхности, благодаря инновационной архитектуре, гибкости применения и надёжности измерений позволяют определять толщину плёнок, высоту ступенек, морфологию, волнистость и шероховатость микро- и наноструктур. Они широко используются в университетах, исследовательских лабораториях и институтах, в полупроводниковой промышленности, производстве светодиодов, солнечной энергетике, микроэлектромеханических системах (MEMS), сенсорных экранах, автомобилестроении, медицинском оборудовании и других отраслях. Как прорывное достижение отечественного приборостроения, профилометры серии JS打破了 долгосрочную монополию зарубежных брендов в области высокоточных измерительных систем, став благодаря оптимальному соотношению цены и качества, а также локальной сервисной поддержке предпочтительным выбором для отечественных университетов, научно-исследовательских институтов и производственных предприятий.