Chengdu, Kina – 20. listopada 2025– U značajnom postignuću za obnovljivu energiju, istraživači sa Sveučilišta za elektroničku znanost i tehnologiju Kine (UESTC) razvili su perovskitnu solarnu ćeliju koja je dosegla certificiranu učinkovitost pretvorbe energije od 25,13%. Ovo otkriće ostvareno je ugradnjom dvo-dimenzionalnog titan karbida, poznatog kao MXene, kao multifunkcionalnog aditiva u perovskitni-sloj koji apsorbira svjetlo. Ova inovacija predstavlja značajan korak ne samo u poboljšanju performansi, već iu rješavanju kritičnih izazova stabilnosti i upravljanja toplinom koji su povijesno ometali komercijalno uvođenje perovskitnih fotonapona.
Nova ćelijska struktura, detaljno opisana u studiji "Multifunctional MXene for Thermal Management in Perovskite Solar Cells" objavljenoj uMakro-Mikro slova, ima supstrat od stakla i indij kositrenog oksida (ITO), transportni sloj elektrona napravljen od kositrenog oksida (SnO₂), MXene-modificirani perovskitni apsorber, sloj za transport rupa koji koristi Spiro-OMeTAD i zlatni metalni kontakt.
Srž ovog napretka leži u jedinstvenim svojstvima MXene. Ovi spojevi, nazvani po svojoj strukturi-sličnoj grafenu, poznati su po svojoj izuzetnoj metalnoj vodljivosti, visokoj mobilnosti nositelja naboja i podesivim svojstvima površine. Kada su Ti₃C₂Tₓ MXene nanoploče ugrađene u sloj perovskita, djeluju kao svestrana komponenta koja istovremeno poboljšava rasipanje topline i optoelektroničke performanse.
"Zajednica za istraživanje solarne energije traži materijal koji može istovremeno optimizirati ekstrakciju naboja, poboljšati stabilnost i lako se obrađivati. Višenamjenske prednosti MXene ističu njegov veliki potencijal za konstrukciju perovskitnih solarnih ćelija s ne samo visokom učinkovitošću pretvorbe energije, već i izvrsnom toplinskom stabilnošću," izjavio je istraživački tim.
Jedna od najkritičnijih funkcija aditiva MXene je njegova uloga u upravljanju toplinom. Pod stalnim sunčevim svjetlom, akumulacija topline unutar solarnih ćelija je glavni uzrok degradacije performansi. Istraživački tim pokazao je da je ugradnja Ti₃C₂Tₓ nanoploča stvorila učinkovite puteve provođenja topline unutar perovskitnog filma. To je povećalo toplinsku vodljivost sloja s 0,236 W·m⁻¹·K⁻¹ na 0,413 W·m⁻¹·K⁻¹. Posljedično, radna temperatura solarne ćelije pod standardnim uvjetima osvjetljenja smanjena je za približno 3 stupnja, sa 42,96 stupnjeva na 39,97 stupnjeva, značajno ublažavajući degradaciju izazvanu toplinom-.
Osim upravljanja toplinom, MXene nanoploče pružile su brojne druge prednosti. Služili su kao učinkoviti pasivatori defekata na granicama zrna kristala perovskita, smanjujući gubitke rekombinacije naboja. To je dovelo do ujednačenijeg i glatkijeg perovskitnog filma s većom veličinom zrna, što je potvrđeno smanjenjem hrapavosti filma s 24,9 nm na 15,2 nm. Nadalje, modificirani perovskitni film pokazao je jaču apsorpciju svjetlosti u vidljivom području.
Kombinirani učinak ovih poboljšanja rezultirao je-rekordnom izvedbom. Šampionski uređaj postigao je učinkovitost pretvorbe energije od 25,13%, značajno povećanje od 23,70% učinkovitosti referentne ćelije bez MXene. Također je pokazao vrhunske električne karakteristike, s naponom otvorenog-kruga od 1,177 V, gustoćom-struje kratkog spoja od 25,29 mA cm⁻² i faktorom punjenja od 84,4%.
Možda je jednako važno kao i skok učinkovitosti značajno poboljšanje stabilnosti uređaja. Ćelija temeljena na MXene-zadržala je oko 80% svoje početne učinkovitosti nakon 500 sati izlaganja uvjetima visoke-temperature od 85 stupnjeva i relativnoj vlažnosti od oko 30-35% . U testu stabilnosti provedenom u atmosferi dušika s praćenjem maksimalne točke snage, uređaj je zadržao 70% svoje početne učinkovitosti nakon 500 sati, dramatično nadmašivši kontrolnu ćeliju, koja je degradirala na 20% svoje izvorne učinkovitosti. Ova robusna stabilnost kritičan je pokazatelj potencijala tehnologije za dugotrajni rad.
Unatoč obećavajućim rezultatima, istraživački tim je priznao da izazovi ostaju na putu komercijalizacije, prvenstveno povezani s visokom cijenom i složenošću sintetiziranja Ti₃C₂Tₓ materijala. Buduća istraživanja usredotočit će se na optimiziranje putova sinteze kako bi se smanjili troškovi i poboljšala ponovljivost. Istraživanje alternativnih MXene materijala, kao što je Ti₂CTₓ, također je ključni smjer za budući rad.
Ovaj napredak, postignut kroz stratešku integraciju MXene, osvjetljava svjetliju i učinkovitiju budućnost solarne energije. Značajno približava dan kada visoko{1}}učinkoviti, izdržljivi i-isplativi perovskitni fotonaponski uređaji postaju glavni izvor čiste energije.
Što se tiče Kineskog sveučilišta elektroničke znanosti i tehnologije (UESTC):
Kinesko sveučilište za elektroničku znanost i tehnologiju dugo je-nacionalno sveučilište poznato po svojim istraživačkim programima usmjerenim na elektroničke i informacijske znanosti, znanosti o materijalima i energetske tehnologije.
