Chengdu, Kína – 2025. október 20– A megújuló energiák terén mérföldkőnek számító eredményként a Kínai Elektronikai Tudományos és Technológiai Egyetem (UESTC) kutatói kifejlesztettek egy perovszkit napelemet, amely elérte a 25,13%-os tanúsított energiaátalakítási hatékonyságot. Ezt az áttörést úgy valósították meg, hogy a perovskit fényelnyelő rétegbe több-dimenziós titán-karbidot, az MXene-t, többfunkciós adalékanyagként építették be. Ez az innováció jelentős előrelépést jelent nemcsak a teljesítmény növelésében, hanem a stabilitás és a hőkezelés kritikus kihívásainak leküzdésében is, amelyek történelmileg akadályozták a perovszkit fotovoltaik kereskedelmi elterjedését.
Az új cellaszerkezet, amelyet a „Multifunctional MXene for Thermal Management in Perovskite Solar Cells” című tanulmányban részleteztek.Makró{0}}MikrobetűkÜvegből és indium-ón-oxidból (ITO) készült szubsztrátummal, ón-oxidból (SnO₂) készült elektrontranszportréteggel, MXene{0}}módosított perovszkit abszorberrel, Spiro-OMeTAD-ot használó lyukszállító réteggel és arany fém érintkezővel rendelkezik.
Ennek a fejlődésnek a lényege az MXene egyedülálló tulajdonságaiban rejlik. Ezek a grafénszerű szerkezetükről elnevezett vegyületek kivételes fémvezetőképességükről, nagy töltéshordozó-mobilitásukról és hangolható felületi tulajdonságaikról ismertek. Amikor a Ti3C2Tₓ MXene nanolemezeket a perovszkit rétegbe ágyazzák, sokoldalú komponensként működnek, amely egyszerre javítja a hőelvezetést és az optoelektronikai teljesítményt.
"A napenergia-kutató közösség olyan anyagot keres, amely egyszerre optimalizálja a töltéskivonást, növeli a stabilitást és könnyen feldolgozható. Az MXene multifunkcionális előnyei rávilágítanak a perovskit napelemek gyártásában rejlő nagy lehetőségeire, amelyek nemcsak nagy teljesítménykonverziós hatékonysággal, hanem kiváló hőstabilitással is rendelkeznek" - nyilatkozta a kutatócsoport.
Az MXene adalék egyik legkritikusabb funkciója a hőkezelésben betöltött szerepe. Folyamatos napfény hatására a napelemeken belüli hő felhalmozódása a teljesítményromlás egyik fő oka. A kutatócsoport kimutatta, hogy a Ti3C2Tₓ nanolemezek beépítése hatékony hővezetési utakat hozott létre a perovszkit filmben. Ez a réteg hővezető képességét 0,236 W·m-¹·K-1-ről 0,413 W·m-¹·K-1-re növelte. Következésképpen a napelem üzemi hőmérséklete normál megvilágítás mellett körülbelül 3 fokkal, 42,96 fokról 39,97 fokra csökkent, jelentősen mérsékelve a hő-indukált degradációt.
A hőkezelésen túl az MXene nanosheets számos egyéb előnnyel is járt. Hatékony hibapasszivátorként szolgáltak a perovszkit kristályok szemcsehatárain, csökkentve a töltésrekombinációs veszteségeket. Ez egyenletesebb és simább perovszkit filmet eredményezett, nagyobb szemcsemérettel, amit a film érdességének 24,9 nm-ről 15,2 nm-re való csökkentése is megerősít. Ezenkívül a módosított perovskit film erősebb fényelnyelést mutatott a látható területen.
Ezeknek a fejlesztéseknek az együttes hatása a rekord{0}}teljesítményt eredményezte. A bajnok eszköz 25,13%-os teljesítményátalakítási hatékonyságot ért el, ami jelentős növekedés az MXene nélküli referenciacella 23,70%-os hatékonyságához képest. Kiváló elektromos jellemzőket is mutatott: 1,177 V nyitott{5}}áramköri feszültség, 25,29 mA cm⁻² zárlati áramsűrűség és 84,4%-os kitöltési tényező.
Talán ugyanolyan fontos, mint a hatékonyság ugrása, az eszköz stabilitásának jelentős javulása. Az MXene{1}}alapú cella megtartotta kezdeti hatékonyságának körülbelül 80%-át, miután 500 órán át magas, 85 fokos hőmérsékletnek és 30{12}}35% körüli relatív páratartalomnak volt kitéve. A nitrogén atmoszférában, maximális teljesítménypont követéssel végzett stabilitási tesztben az eszköz 500 óra elteltével megtartotta kezdeti hatékonyságának 70%-át, drámaian felülmúlva a kontrollcellát, amely 20%-ra csökkent az eredeti teljesítményéhez képest. Ez a robusztus stabilitás kritikus mutatója a technológia hosszú távú működési potenciáljának.
Az ígéretes eredmények ellenére a kutatócsoport elismerte, hogy továbbra is kihívások állnak a kereskedelmi forgalomba hozatal felé, elsősorban a Ti3C2Tₓ anyagok szintetizálásának magas költségével és összetettségével kapcsolatosak. A jövőbeli kutatások a szintézis útvonalak optimalizálására fognak összpontosítani a költségek csökkentése és a reprodukálhatóság javítása érdekében. Az alternatív MXene anyagok, például a Ti₂CTₓ kutatása szintén kulcsfontosságú irány a jövőbeni munkához.
Ez az áttörés, amelyet az MXene stratégiai integrációjával értek el, a napenergia szebb és hatékonyabb jövőjét világítja meg. Jelentősen közelebb hozza azt a napot, amikor a nagy-teljesítményű, strapabíró és költséghatékony-perovszkit fotovoltaik a tiszta energia fő forrásává válnak.
A Kínai Elektronikai Tudományos és Technológiai Egyetemről (UESTC):
A Kínai Elektronikai Tudományok és Technológiai Egyetem régóta fennálló{0}}nemzeti egyetem, amely az elektronikai és információs tudományokra, az anyagtudományokra és az energiatechnológiákra összpontosító kutatási programjairól híres.