В Китае научились выпускать гибкие солнечные панели из обычного кремния, и их даже можно свернуть в трубочку

Китайские исследователи совершили прорыв в солнечной энергетике, превратив хрупкий кристаллический кремний в гибкий материал. Это открытие способно кардинально изменить рынок возобновляемой энергии, открыв дорогу для дешевых и эффективных солнечных батарей в одежде, гаджетах и даже на корпусах космических аппаратов. Вместо дорогостоящих и нестабильных перовскитов, ученые нашли способ «приручить» привычный кремний, сохранив его высокий КПД.

Как хрупкий кремний стал гибким: секрет в геометрии кромки

Главная проблема традиционных кремниевых фотоэлементов — их хрупкость. При малейшем изгибе в материале возникали микротрещины, которые выводили ячейку из строя. Международная группа, возглавляемая специалистами из Шаньянского института микросистем (SIMIT) и ряда китайских университетов, провела детальный анализ процесса разрушения. Результаты исследования были опубликованы в авторитетном научном журнале Nature.

Зигзаг как слабое место: переосмысление структуры

В ходе экспериментов выяснилось, что трещины при нагрузке на изгиб зарождаются исключительно на краях ячейки. В профиль граница между кристаллическим кремнием и тонкопленочным слоем аморфного кремния (так называемая гетеропереходная структура) имеет форму острого зигзага. Именно эти острые пики и впадины служили концентраторами напряжения, провоцируя разрушение.

Решение оказалось элегантным и технологичным: ученые изменили геометрию кромки, превратив острые углы в плавные U-образные изгибы. Для этого потребовалась разработка специального технологического процесса, который был успешно протестирован на реальном производственном оборудовании. Изменение затронуло лишь краевую зону фотоячейки, не влияя на ее рабочую поверхность.

Цифры и эффективность: почти без потерь

Результаты испытаний впечатляют. Гибкая гетеропереходная солнечная ячейка, изготовленная по новой технологии, продемонстрировала КПД на уровне 23,3%. После нанесения антибликового покрытия на основе фторида магния (MgF₂) эффективность выросла до 24,50%. Для сравнения, классическая «толстая» ячейка из кристаллического кремния имеет КПД 25,83%. Потеря в эффективности минимальна, но взамен инженеры получили гибкость — свойство, которое кардинально расширяет сферу применения кремниевой фотовольтаики.

• Гибкость: Новые панели можно изгибать, что открывает возможности для интеграции в одежду, рюкзаки, чехлы для телефонов и элементы интерьера.
• Снижение стоимости: Технология позволяет экономить на сырье, делая производство более дешевым по сравнению с использованием экзотических материалов.
• Совместимость: Новинка основана на хорошо изученном и широко распространенном кристаллическом кремнии, что упрощает ее внедрение в существующие производственные цепочки.

В течение многих лет ключевым ограничением для кремниевых солнечных батарей была их жесткость, что заставляло ученых искать альтернативы в сложных и дорогих перовскитовых соединениях. Теперь, с появлением технологии сглаживания кромок, ситуация может измениться. Отказ от экзотики в пользу доработанного кремния сулит не только технологическую простоту, но и значительную экономию средств на всех этапах — от производства до утилизации.

Практическое значение этой разработки выходит далеко за рамки лабораторных прототипов. Снижение стоимости гибких кремниевых ячеек напрямую повлияет на конечную цену вырабатываемой электроэнергии, делая солнечную генерацию еще более доступной. В сочетании с гибкостью, это открывает путь к созданию «умной» одежды с автономным питанием, легких и прочных солнечных панелей для авиации и космоса, а также к архитектурным решениям, где солнечные элементы могут быть встроены в криволинейные фасады зданий. Рынок носимой электроники и интернета вещей получит мощный импульс для развития за счет появления дешевого и эффективного источника энергии.