В 2025 году мировые мощности по установке солнечных панелей достигли 511 гигаватт, что почти в два раза превосходит всю энергосистему России (примерно 271 ГВт, включая гидро-, атомные, тепловые и солнечные станции). На этом фоне усиливается внимание к перовскитным солнечным элементам, которые считаются преемниками кремниевых технологий, сообщает пресс-служба ПНИПУ.
Эти устройства отличаются легкостью и тонкостью, их можно размещать на окнах, фасадах и даже использовать в портативной технике. Однако массовое применение сдерживается серьезным недостатком: основной светопоглощающий слой, выполненный из перовскитоподобного материала, крайне нестабилен и быстро разрушается под воздействием влаги, кислорода и высоких температур.
Фото: Вытяжка капилляра для вакуумной перегонки, М.Терещенко. Источник: пресс-служба ПНИПУ
Екатерина Королёва
Российская разработка: полимеры, продлевающие жизнь батарей
Специалисты ФИЦ ПХФ, МХ РАН и Пермского Политеха совместно с коллегами из Сколтеха создали четыре новых полимерных состава для перовскитных батарей. После 1800 часов непрерывной работы устройства на их основе сохраняют до 99% эффективности, тогда как стандартные материалы за аналогичный период теряют более половины мощности. Это открывает путь к выходу перовскитных батарей из лабораторий на фасады зданий, крыши автомобилей, в носимую электронику и системы «умного дома». Результаты опубликованы в сборнике материалов конференции «Функциональные материалы: создание, изучение, применение».
Фото: Фото лабораторного образца перовскитной солнечной батареи. Источник: пресс-служба ПНИПУ
Рынок и эволюция технологии: от 3,8% до 26,95% КПД
По оценкам, к 2035 году мировой рынок перовскитных фотоэлементов нового поколения увеличится в 12 раз с 1,9 до 24 миллиардов долларов. Эти панели отличаются гибкостью: их можно изгибать, монтировать на окна и фасады, даже сворачивать в рулон. Производство легко масштабируется, так как технология напоминает «печать» чернилами, в отличие от многоэтапных процессов выпуска кремниевых аналогов. Название происходит от уральского минерала, открытого в 1839 году и названного в честь графа Льва Перовского. Позднее ученые синтезировали искусственные соединения с похожей структурой перовскитоподобные материалы. Первый прототип 2009 года имел КПД 3,8%. За 17 лет этот показатель вырос до 26,95%, то есть в 7 раз, и теперь перовскитные батареи почти сравнялись по эффективности с кремниевыми.
Фото: Изменение относительной эффективности преобразования энергии устройств с полимерными материалами, переносящими дырки, при непрерывном освещении светодиодным светом в инертной атмосфере. Источник: пресс-служба ПНИПУ
Универсальность применения: от солнца до искусственного света
Ключевое преимущество перовскитоподобных материалов способность поглощать свет в широком спектре длин волн, что позволяет панелям работать не только от солнца, но и от искусственного освещения. Это делает их перспективными для применения за пределами традиционных солнечных полей: на зданиях, в интерьерах и в портативной электронике. Устройства могут использоваться в медицине для круглосуточного мониторинга здоровья, в «умной» одежде и гаджетах, которые постоянно подзаряжаются.
Фото: Колоночная хроматография на силикагеле органического полупроводникового соединения. Источник: пресс-служба ПНИПУ
Главная проблема: нестабильность и уникальное свойство самовосстановления
Основная причина, почему перовскитные батареи пока не стали повседневностью, кроется в самом материале. Он остается самым капризным и проблемным элементом: чувствителен к влаге, кислороду, нагреву и даже свету, из-за чего его структура со временем разрушается. Поэтому устанавливать такие панели на каждый балкон пока преждевременно. Однако у него есть необычное свойство: если продукты распада не покидают слой, перовскит может восстанавливаться, словно пытаясь собрать себя заново. В этом процессе помогают органические полупроводниковые слои, которые не только переносят заряд, но и защищают материал. Главное правильно подобрать состав и архитектуру устройства.
Как ученые улучшили органические полупроводники: два подхода
Ученые ФИЦ ПХФ, МХ РАН и ПНИПУ совместно с коллегами из Сколтеха разработали четыре новых органических полупроводниковых материала. За основу молекулы был взят трифениламин, на базе которого уже создано несколько коммерчески успешных соединений. Однако такие материалы часто обладают слабыми зарядово-транспортными свойствами и не идеально согласуются по энергетическим уровням с перовскитоподобными слоями. Исследователи сосредоточились на улучшении этих характеристик.
Стратегия основывалась на двух подходах. Во-первых, ученые вводили и варьировали второй фрагмент в основной цепи, сочетая трифениламиновый блок с карбазолом (повышает стабильность) или тиофеном (улучшает проводимость). Во-вторых, они добавляли объемную боковую группу триизопропил(2-тиенил)силильную, которая влияет на упаковку молекул и стабильность структуры.
Результаты испытаний: «подушка безопасности» для батарей
«Мы разработали четыре новых органических полупроводника. Батареи на их основе достигают КПД до 17,8% при преобразовании солнечного света, в то время как распространенный эталонный материал PTAA показывает около 17%. Однако важнее то, что такие элементы дольше сохраняют стабильность. В одинаковых условиях испытаний батареи с классическим PTAA теряют почти половину начальной мощности, а устройства с нашими новыми тиофен- и карбазол-содержащими полимерами сохраняют около 90% от изначального уровня. То есть правильный выбор органического слоя вокруг перовскита работает как „подушка безопасности“: он не только добавляет проценты к эффективности, но и заметно продлевает жизнь будущим гибким панелям», объясняет Михаил Терещенко, аспирант кафедры «Технология полимерных материалов и порохов» ПНИПУ.
Фото: Михаил Терещенко. Источник: пресс-служба ПНИПУ
Взгляд в будущее: от лабораторий к рулонам и умным домам
Достигнутые результаты стали возможны благодаря системной работе, которую исследователи ведут много лет. «Это направление не теряет актуальности уже 15 лет, что указывает на высокий потенциал перехода от фундаментальных к прикладным разработкам и созданию конкурентных электронных устройств. Наши исследования направлены на поиск оптимальной структуры дырочно-транспортного материала, чтобы этот переход произошел как можно раньше», добавляет Александр Аккуратов, заведующий лабораторией фоточувствительных и электроактивных материалов ФИЦ ПХФ и МХ РАН, кандидат химических наук.
Благодаря разработке ученых перовскитные батареи могут наконец выйти из лабораторий в реальный мир. Их можно будет печатать рулонами, как газеты, наклеивать на стены зданий, встраивать в окна, натягивать на крыши автомобилей. Заряжать телефон от рюкзака с солнечной вставкой или питать датчики на ферме без электричества, не меняя панели каждые полгода, все это станет реальностью.
Журнал «Химагрегаты» рассказал о прорывной разработке сотрудников Института солнечных энергетических систем имени Фраунгофера — инновационной технологии ShadeCut, предназначенной для создания цветных солнечных батарей.