Jaunā saules šūna sasniegusi 2,014 voltu neatkarīgi sertificētu atvērtās ķēdes spriegumu — vienu no augstākajiem rādītājiem, kāds jebkad ziņots šāda veida ierīcēm. To izstrādājuši Sočovas Universitātes un LONGi Centrālā pētniecības un attīstības institūta zinātnieki.

Tandēma saules šūnās perovskīta augšējais slānis tiek novietots virs standarta silīcija pamatnes, lai uztvertu vairāk saules gaismas nekā parastie paneļi. Tomēr inženieri jau ilgstoši saskaras ar grūtībām, mēģinot šādu šūnu veiktspēju palielināt lielākā mērogā.

Teksturēta silīcija raupjā virsma apgrūtina vienmērīgu perovskīta slāņa izveidi. Turklāt elektriskie lādiņi bieži iesprūst un tiek zaudēti apraktajā saskarnē, kur no šūnas jāizkļūst caurumiem. Šo enerģijas zudumu dēvē par neradiatīvo rekombināciju.

Iepriekšējie mēģinājumi novērst šo problēmu radīja sarežģītu kompromisu. Saskarnes apstrāde samazināja lādiņu zudumus, taču vienlaikus izveidoja izolējošu barjeru, kas palēnināja elektrības plūsmu.

Pētnieku komanda šo kompromisu atrisināja, izveidojot īpaši plānu karkasu. Tā vietā, lai uzklātu vienlaidus izolējošu slāni, zinātnieki starp šūnas vadošo oksīdu un molekulāro monokārtu izvietoja atsevišķas monoklīniskā cirkonija oksīda (ZrO2) nanodaļiņas.

Šis punktveida izkārtojums darbojas divējādi. Pirmkārt, nanodaļiņas pielāgo virsmas enerģiju, ļaujot šķidrajam perovskīta šķīdumam vienmērīgi izplūst pa virsmu. Tādējādi veidojas blīvas, bez tukšumiem esošas plēves ar lielākiem kristālu graudiem.

“Otrkārt, atsevišķās nanodaļiņas saskarnē veido nanomēroga lokalizētus kontaktus,” paziņojumā presei norādīja pētnieki. “Cirkonija oksīda reģioni nodrošina lauka efekta pasivāciju, kas nomāc neradiatīvo rekombināciju, savukārt atklātie monokārtas ceļi saglabā efektīvu caurumu ekstrakciju.”

Cirkonija oksīdam ir arī augsta dielektriskā konstante, kas pasargā šūnu no elektriskām svārstībām un novērš lādiņu uzkrāšanos. Ķīmiskās pārbaudes parādīja, ka nanodaļiņas ar monokārtu izveidojušas stipras Zr–O–P saites, radot divkāršas piesaistes tīklu, kas stingri nostiprina saskarni.

Komanda veica vairākus testus, lai pārbaudītu šūnas darbību. Mikroskopiskās pārbaudes uzrādīja vienmērīgu elektriskās strāvas plūsmu visā apstrādātajā virsmā. Mērījumi ar laika izšķirtspēju apstiprināja, ka lādiņnesēji saglabājās gandrīz divreiz ilgāk — to dzīves ilgums pieauga no 1,46 līdz 2,81 mikrosekundei.

Labākā šūna sasniedza 34,0% efektivitāti, 1,997 voltu atvērtās ķēdes spriegumu, 20,36 mA cm-2 strāvas blīvumu un 83,62% aizpildījuma koeficientu.

Būtiski, ka ierīces veiktspēja strauji nesamazinājās. Pēc 2000 stundu ilgas nepārtrauktas apstarošanas ar simulētu saules gaismu istabas temperatūrā iekapsulētās šūnas saglabāja 84% no sākotnējās efektivitātes.

Projektu kopīgi vadīja Sočovas Universitātes profesori Dzjans Liu un Sjaohuns Džans, kā arī doktors Hunbo Mo, kopā ar LONGi doktoru Bo He. Huimina Džana un Cjinsui Džena projektā piedalījās kā līdzvērtīgi pirmie autori.

“Rezultāti parāda, ka rūpīgi izveidota strukturēta izolējoša saskarne var uzlabot perovskīta plēves augšanu un nomākt rekombināciju, nebloķējot lādiņu ekstrakciju,” teikts paziņojumā presei. “Šāds nanoskalas saskarnes dizains piedāvā praktisku stratēģiju efektīvāku un izturīgāku perovskīta un silīcija tandēma saules šūnu izstrādei.”