Коли хмара — не вирок для сонячної панелі
Уявіть, що ваші сонячні панелі на даху перестають працювати на повну потужність щоразу, коли поряд пролітає птах або набігає хмара. Для більшості сучасних тонкоплівкових сонячних елементів це сумна реальність, яка не лише знижує виробіток енергії, але й може призвести до незворотного пошкодження. Однак команда дослідників з Гонконгського політехнічного університету (PolyU) зробила крок, який може кардинально змінити цю ситуацію, створивши новий тип сонячних елементів, що демонструють дивовижну стійкість до затінення. За даними наукового порталу Interesting Engineering, цей прорив відкриває шлях до значно надійніших та ефективніших сонячних електростанцій.
Проблема, про яку ви не знали: чому сонячні панелі бояться тіні
Сонячні елементи, особливо тонкоплівкові технології, такі як перовскітні, органічні, телурид кадмію або CIGS, є легкими, гнучкими та дешевшими у виробництві. Проте в них є одна суттєва вада. Коли частина панелі опиняється в тіні, затемнені ділянки починають діяти як опір, створюючи так звану зворотну напругу (reverse bias).
Ця негативна напруга не просто знижує вихідну потужність, вона створює сильне стресове навантаження на матеріал. Оскільки такі елементи переносять як електрони, так й іони, тривалий вплив зворотної напруги призводить до деградації та незворотних пошкоджень. До цього часу підвищення стійкості до цього явища було ключовим викликом для вчених.
У чому суть прориву: дослідники знайшли “ахіллесову п’яту” матеріалів
Команда під керівництвом професора Лі Гана зосередилася на органічних сонячних елементах (OSCs), оскільки їхня поведінка в умовах зворотної напруги досі була вивчена недостатньо. Їм вдалося ідентифікувати основну причину пошкоджень — так звані «глибокі пасткові стани» (deep trap states) в об’ємному гетеропереході, де власне й генерується електрика.
Ці дефекти захоплюють електричні заряди, що знижує ефективність та робить матеріал вразливим до руйнування. Вирішенням стало придушення ізольованих кластерів акцептора в донорно-акцепторній суміші. Це дозволило значно скоротити кількість «пасток» і зробити елементи набагато міцнішими.
Цифри, що вражають: 97% ефективності після 83 днів випробувань
Результати перевершили очікування. Нові органічні сонячні елементи змогли витримувати напругу до -35 вольт без жодних пошкоджень, що є новим стандартом стабільності.
Але найвражаючим є досягнення тандемних перовскітно-органічних елементів:
- Після впливу напруги -40 В вони зберегли понад 90% початкової ефективності.
- Після 12 годин роботи при -20 В зберегли 90% ефективності.
- Головний рекорд: після 2000 годин (близько 83 днів) випробувань при напрузі -4.5 В вони зберегли 97% своєї ефективності.
При цьому ефективність перетворення енергії самих тандемних елементів перевищила 26%. Професор Лі Ган назвав це «значним стрибком вперед» на шляху до сталої енергетики.
Як це працює: “захисний щит” для перовскітного шару
Дослідження також показало, що вдосконалені органічні елементи виконують захисну функцію для перовскітного шару в тандемній структурі. Вони запобігають зворотному тунелюванню струму, яке зазвичай пошкоджує пристрій під час затінення.
Фактично, органічний шар діє як буфер, який бере на себе основний удар, захищаючи більш вразливий, але високоефективний перовскітний шар. Це робить всю тандемну структуру надзвичайно живучою в реальних, неідеальних умовах.
Від лабораторії до реального світу: що далі?
Цей прорив є логічним продовженням попередніх досліджень команди, опублікованих у 2025 році в журналі Nature Energy. Нинішні результати, опубліковані в престижному Nature Materials, демонструють, що технологія готова до практичного застосування.
Наступним кроком стане масштабування технології для виробництва промислових сонячних модулів. Стійкі до затінення панелі будуть особливо цінними в регіонах з мінливою хмарністю, для дахових установок зі складним рельєфом або для портативних пристроїв, де умови освітлення постійно змінюються.
Ключові висновки з дослідження:
- Вчені з PolyU створили сонячні елементи, стійкі до затінення.
- Причина пошкоджень — «глибокі пасткові стани», які вдалося придушити.
- Нові елементи витримують високу зворотну напругу без втрати продуктивності.
- Тандемні елементи зберегли 97% ефективності після 2000 годин тестування.
- Технологія наближається до комерційного використання у реальних сонячних панелях.
Цей прорив у створенні стійких сонячних елементів демонструє, як фундаментальна наука вирішує практичні проблеми відновлюваної енергетики. А поки вчені працюють над підвищенням ефективності наземних панелей, інші дослідники шукають шляхи передачі енергії з космосу — Китай хоче передавати енергію лазерами на Місяці, що відкриває ще більш фантастичні перспективи для всієї сонячної енергетики майбутнього.
