В 2025 году глобальные мощности новых солнечных установок достигли 511 гигаватт — вдвое больше всей российской энергосистемы (271 ГВт с учетом ГЭС, АЭС, ТЭС и солнечных станций). На этом фоне растет интерес к перовскитным солнечным элементам, называемым следующим шагом после кремниевых. Эти тонкие и легкие устройства можно размещать на окнах, фасадах и даже в портативной электронике. Однако массовому внедрению мешает ключевая проблема: светопоглощающий перовскитоподобный слой крайне нестабилен и быстро разрушается от влаги, кислорода и высоких температур. Ученые ФИЦ ПХФ, МХ РАН и Пермского Политеха совместно с коллегами из Сколтеха создали четыре новых полимерных материала для таких батарей. Устройства на их основе сохраняют до 99% эффективности после 1800 часов непрерывной работы, тогда как стандартные аналоги теряют свыше половины мощности. Это открытие позволит перовскитным батареям выйти из лабораторий на фасады зданий, автомобильные крыши, в носимую электронику и системы "умного дома".
Статья опубликована в сборнике материалов конференции "Функциональные материалы: создание, изучение, применение".
Прогнозируется, что к 2035 году мировой рынок перовскитных солнечных батарей — фотоэлементов нового поколения — вырастет в 12 раз: с 1,9 до 24 миллиардов долларов. Эти гибкие и легкие панели можно изгибать, устанавливать на окна и фасады, даже сворачивать в рулоны. Их производство легко масштабируется благодаря технологии, напоминающей печать чернилами, в отличие от сложных многоступенчатых процессов изготовления кремниевых аналогов.
Название технологии происходит от уральского минерала, открытого в 1839 году и названного в честь графа Льва Перовского. Позже ученые создали искусственные соединения со схожей структурой — перовскитоподобные материалы. Первый прототип батареи появился в 2009 году с эффективностью 3,8%. За 17 лет этот показатель вырос до 26,95% — в семь раз, приблизившись к эффективности кремниевых аналогов.
Ключевое преимущество перовскитоподобных материалов — способность поглощать свет в широком спектре длин волн, позволяя панелям работать не только от солнечного света, но и от искусственного освещения. Это рассматривается как технология, способная вывести солнечную энергетику за пределы традиционных "полей с панелями": на здания, в интерьеры и сектор портативной электроники. Устройства найдут применение в медицине для круглосуточного мониторинга здоровья, в "умной" одежде и гаджетах с постоянной подзарядкой.
Основная причина, почему перовскитные батареи еще не вошли в повседневную жизнь, — капризность материала: он чувствителен к влаге, кислороду, нагреву и свету, что вызывает постепенное разрушение структуры. Это главный фактор, ограничивающий их установку "на каждом балконе".
У перовскита есть удивительная особенность! Если продукты распада не покидают слой, материал может самовосстанавливаться, будто стремится вернуть свою целостность. Ключевую роль здесь играют органические полупроводниковые слои. Они не просто переносят заряд, но и эффективно защищают его. Секрет успеха — в правильном выборе материалов и продуманной архитектуре устройства.
Новые материалы: фокус на ключевые характеристики
Ученые ФИЦ ПХФ, МХ РАН и ПНИПУ вместе со специалистами из Сколтеха создали четыре новых органических полупроводниковых материала. Основой молекулярного "скелета" стал трифениламин. Хотя на его базе уже существуют коммерчески удачные соединения, они часто страдают от слабых зарядово-транспортных свойств и неидеального энергетического соответствия с перовскитными слоями. Исследователи целенаправленно улучшали именно эти параметры.
Стратегия разработки: два ключевых подхода
Разработка базировалась на двух главных принципах. Во-первых, ученые вводили и варьировали второй фрагмент в основной цепи. Трифениламиновый блок комбинировали либо с карбазолом (для повышения стабильности), либо с тиофеном (для улучшения проводимости). Во-вторых, добавляли объемную боковую группу (триизопропил(2-тиенил)силильную), призванную оптимизировать упаковку молекул и стабильность структуры.
Прорывные результаты: эффективность и долговечность
— Нами синтезировано четыре новых органических полупроводника, — поясняет Михаил Терещенко, аспирант кафедры "Технология полимерных материалов и порохов" ПНИПУ. — Батареи на их основе демонстрируют до 17,8% эффективности преобразования солнечного света, превосходя эталонный PTAA (примерно 17%). PTAA широко используется как стандарт для дырочно-транспортных слоев. Однако еще важнее, что элементы с нашими материалами сохраняют стабильность значительно дольше. В одинаковых испытаниях батареи с PTAA теряют почти половину исходной мощности, а устройства с нашими новыми тиофен- и карбазол-содержащими полимерами сохраняют около 90% начального уровня. Грамотный выбор органического слоя вокруг перовскита действует как "подушка безопасности": он не только повышает КПД, но и существенно продлевает срок службы будущих гибких панелей.
Многолетний фундамент для инноваций
Достигнутые успехи — плод многолетней системной работы команды. — Это направление сохраняет высокую актуальность уже 15 лет, что подчеркивает его огромный потенциал для перехода от фундаментальной науки к прикладным решениям и созданию конкурентоспособной электроники, — дополняет Александр Аккуратов, заведующий лабораторией фоточувствительных и электроактивных материалов ФИЦ ПХФ и МХ РАН, к.х.н. — Наши изыскания сосредоточены на поиске оптимальной структуры дырочно-транспортного материала, чтобы ускорить этот переход.
Благодаря разработке ученых перовскитные батареи готовы к выходу из лабораторий в реальную жизнь! Их можно будет печатать рулонами, как газеты, наносить на стены зданий, интегрировать в окна, накрывать ими крыши автомобилей. Заряжать телефон от рюкзака с солнечной панелью или питать датчики на удаленных фермах без линий электропередач, не беспокоясь о частой замене модулей — все это станет частью нашего яркого будущего.
Информация и фото предоставлены пресс-службой ПНИПУ
Российские ученые создали солнечные батареи с рекордной стабильностью!
Перспективные элементы для яркого будущего
Исследователи из Сколтеха и Института проблем химической физики РАН представили инновационные фотоэлементы на основе перовскитов. Эти устройства демонстрируют невероятную стабильность при интенсивной работе под ярким светом, сохраняя свыше 75 процентов своей первоначальной эффективности после более чем 1500 часов непрерывного воздействия. Это огромный шаг вперед в повышении надежности солнечной энергетики!
Устойчивость и эффективность рука об руку
Ключом к успеху стало применение уникальных материалов: стабильного неорганического каркаса и специальных органических компонентов внутри перовскитного слоя. Такая комбинация не только обеспечивает выдающуюся устойчивость к нагреву и свету, но и позволяет достигать высокой эффективности преобразования энергии солнца в электричество. Результаты испытаний вселяют уверенность: новые батареи готовы служить годами без значительной потери мощности. Это открывает прекрасные перспективы для создания долговечных и эффективных солнечных панелей нового поколения.
Источник: scientificrussia.ru
