Российские инженеры увеличили срок службы перовскитных солнечных элементов при высоких температурах втрое. Секрет разработки — особые органические молекулы, которые стабилизируют материал изнутри. Благодаря новой технологии их эффективная работа при 80 градусах выросла с 260 до 700 часов и выше. Солнечные батареи с повышенной температурой эксплуатации могут найти применение в жарких областях, например в пустынях, на возвышенностях в горах и в космосе, рассказали «Известиям» эксперты. Однако ученым необходимо добиться устойчивости результатов при практической реализации разработки.
Солнечные батареи при высоких температурах
В Университете МИСИС совместно с коллегами из Института синтетических полимерных материалов РАН повысили устойчивость перовскитных солнечных элементов к нагреву, внедрив в материал специальные органические молекулы, которые стабилизируют его структуру. Время эффективной работы устройств при высокой температуре 80 градусов увеличилось с 260 до 700 часов и выше. Это важный шаг к созданию более доступных и долговечных солнечных панелей нового поколения.
— Исследователи повысили устойчивость перовскита к нагреву с помощью добавления в структуру материала трифениламин-пиридиновых молекул: благодаря этому время эффективной работы устройств увеличилось почти в три раза. Предложенный метод может стать одним из ключевых для последующего масштабирования солнечных панелей, — рассказала «Известиям» ректор НИТУ МИСИС Алевтина Черникова.
Справка «Известий»Перовскит относится к титанату кальция, минералу, найденному на Урале в середине XIX века. Свое название он получил в честь Льва Перовского, основателя Русского географического общества. Особенности этого минерала определяются его кристаллической структурой: кубом, где углы имеют положительный заряд, а грани — отрицательный. Сейчас термином «перовскиты» называют широкий класс неорганических и органических соединений, имеющих такую же кристаллическую структуру.
На сегодняшний день перовскитные солнечные элементы значительно превосходят кремниевые аналоги по эффективности в пасмурную погоду или при искусственном освещении. Однако широкое внедрение таких панелей пока ограничено, так как под воздействием негативных факторов окружающей среды тонкие пленки быстро разрушаются.
Одна из актуальных задач материаловедов — увеличить срок службы перовскитных модулей при высокой температуре, которая значительно ускоряет коррозию металлических контактов и образование структурных дефектов, рассказали ученые. Существующие методы стабилизации часто работают только в мягких, близких к комнатной температуре условиях, но оказываются недостаточно эффективными при стандартных рабочих температурах солнечных панелей — 80–100 градусов.
Для решения этой проблемы специалисты предложили действенный способ защитить перовскитный модуль от разрушения при нагреве.
— Добавленные нами трифениламин-пиридиновые молекулы устроены так, что одна их часть отдает электроны, а другая — притягивает. Благодаря этому они хорошо взаимодействуют с перовскитом и создают внутри материала небольшие электрические поля, которые меняют энергетические уровни на границах кристаллов. Это снижает потери энергии и повышает выходное напряжение до 1,14 В, — рассказала инженер лаборатории перспективной солнечной энергетики НИТУ Екатерина Ильичева.
Батареи для космоса и пустынь
Новые молекулы блокируют перемещение ионов внутри материала — один из главных факторов разрушения или распада перовскитов со временем.
— Термическая деградация оставалась главным барьером на пути коммерциализации перовскитных солнечных элементов. Наша стратегия не только сохраняет высокую эффективность, но и радикально повышает устойчивость устройств к реальным условиям эксплуатации, — объяснил инженер научного проекта лаборатории перспективной солнечной энергетики НИТУ Лев Лучников.
Описанная перовскитная композиция довольно перспективна для долгой эксплуатации, считает старший научный сотрудник лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники физического факультета ИТМО Александра Фурасова.
— Такие солнечные элементы могут быть наиболее полезны для преобразования солнечной энергии в электричество в ясную погоду. Здесь важно сохранить устойчивость свойств перовскитов, ведь этот материал, хорошо поглощающий свет, также быстро способен нагреваться, — отметила она.
Повышение продолжительности безотказной работы перовскитных солнечных батарей — одна из востребованных тем для научных и технологических разработок, подтвердил директор Центра НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» МГТУ им. Н.Э. Баумана Евгений Александров. Перовскитные материалы, по сравнению с кремниевыми, обеспечивают большую эффективность преобразования света в электричество. Кроме того, они значительно дешевле и проще в изготовлении.
По его словам, солнечные батареи с повышенной температурой эксплуатации могут найти применение в жарких областях, например в пустынях, на возвышенностях (в горах) и в космосе.
— Проблема в том, что они существенно менее стабильны: под действием солнечного света они быстро деградируют. Основной способ продления срока службы перовскитных модулей — нанесение дополнительного стабилизирующего слоя, который делает развитие дефектов энергетически менее выгодным, — сказал он «Известиям».
Работа выполнена в рамках стратегического технологического проекта НИТУ МИСИС «Энергия материалов» по программе «Приоритет-2030», а также поддержана грантом РНФ. Результаты опубликованы в научном журнале Solar RRL.