17 августа 2026 года в Nature вышла работа группы Ифэна Чэня из компании Trina Solar и Фуданьского университета. Авторы сообщили о сертифицированном КПД 32,22% для трёхпереходного солнечного элемента на основе перовскита и кремния с апертурной площадью около 1 см² и 26,97% — для масштабированного элемента площадью 15,62 см². Эти цифры превышают рекорды для данной архитектуры, зафиксированные в предыдущие годы, и получены при независимой сертификации.
Чтобы понять, почему это значимо, нужно разобраться в устройстве самих элементов и в том, какие именно инженерные проблемы удалось решить.
Предел одиночного перехода и зачем нужно несколько слоёв
Одиночный кремниевый солнечный элемент имеет теоретический предел КПД около 29% (предел Шокли–Квейссера). На практике лучшие коммерческие кремниевые элементы достигают 24–26%. Причина ограничения в том, что каждый фотон, попадающий на элемент, либо не поглощается (если его энергия ниже ширины запрещённой зоны материала), либо поглощается, но избыток энергии сверх запрещённой зоны теряется в виде тепла.
Трёхпереходные элементы обходят это ограничение: три полупроводниковых слоя с разными запрещёнными зонами поглощают разные части солнечного спектра. Верхний слой перехватывает высокоэнергетические фотоны синей части спектра, средний — зелёную и жёлтую часть, нижний кремниевый — инфракрасный диапазон. В теории каскад трёх переходов позволяет достичь КПД 49%, а с большим числом переходов — ещё выше.
В данной работе верхний и средний слои сделаны из перовскитов — класса материалов с перестраиваемой шириной запрещённой зоны, которые можно синтезировать при комнатной температуре. Нижний слой — кристаллический кремний.
Проблема широкозонных перовскитов: нерадиационные потери
Верхний слой (широкозонный перовскит, WBG) исторически был слабым звеном трёхпереходных стеков. Дефекты на поверхности и вблизи интерфейсов создают «ловушки» для носителей заряда: электроны и дырки рекомбинируют на дефектах, не успев отдать энергию во внешнюю цепь. Это нерадиационная рекомбинация, которая напрямую снижает напряжение холостого хода (Voc) — один из ключевых параметров элемента.
Авторы разработали пассивирующую молекулу 4F-POEABr. Её структура сочетает аммониевую группу, обеспечивающую химическое связывание с поверхностью перовскита, и электронодефицитную ароматическую систему, создающую поле-эффектную пассивацию — отталкивание носителей от поверхности за счёт электростатики. Сочетание химической и поле-эффектной пассивации подавляет нерадиационную рекомбинацию значительно эффективнее, чем каждый механизм по отдельности.
Результат: квазиуровень Ферми верхнего слоя достиг 1,53 эВ, а напряжение холостого хода субэлемента — 1,413 В. Это близко к теоретическому максимуму для данного состава.
Согласование токов: проблема среднего слоя
В каскадной структуре все три перехода соединены последовательно: ток через всю цепь ограничен самым слабым звеном. Если средний субэлемент генерирует меньше тока, чем верхний и нижний, именно он определяет суммарный ток устройства. Для максимального КПД нужно, чтобы все три генерировали примерно одинаковый ток.
В предыдущих версиях средний перовскитовый субэлемент систематически оказывался ограничивающим. Авторы решили это через оптическое управление интерференцией: специально подобранная двухслойная структура из оксида олова и индий-цинкового оксида (IZO) между верхним и средним субэлементами настраивает толщины слоёв так, чтобы интерференция усиливала поглощение именно в среднем субэлементе. Это дало прирост плотности тока среднего слоя на 0,5 мА/см² — ощутимый вклад в суммарный КПД.
Стабильность и воспроизводимость
Авторы также сообщают об улучшении межсоединительных слоёв между субэлементами и о модифицированных перовскитных интерфейсах, что повышает операционную стабильность и снижает разброс характеристик от образца к образцу. Наличие незначительного гистерезиса (разницы между кривыми прямого и обратного сканирования) подтверждает, что измеренный КПД не является артефактом медленных ионных процессов.
Детали тестирования стабильности — стандартные испытания MPP-tracking и другие ускоренные тесты деградации — доступны в дополнительных материалах статьи. При этом авторы, в соответствии с добросовестной научной практикой, не переносят лабораторный КПД на прогнозы для серийных модулей: между рекордным элементом площадью ~1 см² и промышленным модулем площадью ~1,5 м² лежит огромная инженерная дистанция.
Контекст и ограничения
32,22% — это рекорд для данной архитектуры на малой площади, подтверждённый независимой сертификацией. Но масштабирование — принципиальная проблема: элемент площадью 15,62 см² уже показывает 26,97%, то есть заметное падение. Причины включают неоднородность осаждения тонких плёнок на большей площади, сложность контроля интерференционных условий и механические напряжения в трёхслойных стеках.
Перовскитные слои по-прежнему содержат свинец — существенный фактор для промышленного применения с точки зрения экотоксичности. Долгосрочная стабильность перовскитов при реальных условиях эксплуатации (ультрафиолет, влага, термоциклирование) остаётся активной областью исследований, и имеющиеся данные пока недостаточны для прогноза срока службы коммерческих модулей на 25 лет.
Читайте также: Новые солнечные элементы будут перерабатываться с использованием воды
Тем не менее результат показывает, что архитектура перовскит/перовскит/кремний продолжает продвигаться к теоретическим пределам эффективности. Принципиально важно, что обе ключевые задачи — пассивация дефектов и оптическое согласование токов — решены не экзотическими материалами, а тщательной инженерией интерфейсов и слоёв, что оставляет пространство для масштабирования.