Солнечные батареи нового типа начнут служить годами

Солнечные батареи нового типа начнут служить годами

Только за 2025 год в мире установили солнечных батарей общей мощностью 511 гигаватт - почти вдвое больше суммы всей энергосистемы России (около 271 ГВт с учётом всех ГЭС, АЭС, ТЭС и солнечных станций). На этом фоне растёт интерес к перовскитным солнечным батареям, которые называют следующим шагом после кремниевых. Это тонкие и лёгкие устройства, которые можно инсталлировать на окна, фасады и даже применять в портативной электронике.
Но массовому внедрению мешает ключевая проблема: главный светопоглощающий слой - перовскитоподобный материал - остаётся крайне нестабильным и быстро деградирует под действием влаги, кислорода и высоких температур. Ученые ФИЦ ПХФ, МХ РАН и Пермского Политеха совместно с коллегами из Сколтеха, разработали четыре новых полимерных материала для перовскитных солнечных батарей. Устройства на их основе после 1800 часов непрерывной работы сохраняют до 99% эффективности - тогда как стандартные материалы за то же время теряют больше половины мощности. Это поможет перовскитным батареям выйти из лабораторий на фасады зданий, крыши автомобилей, в носимую электронику и «умный дом».

Статья опубликована в сборнике материалов конференции «Функциональные материалы: создание, изучение, применение».

По прогнозам, к 2035 году мировой рынок перовскитных солнечных батарей - фотоэлементов нового поколения - вырастет в 12 раз, с 1,9 до 24 миллиардов долларов. Это тонкие и легкие устройства. Их можно гнуть, инсталлировать на окна и фасады, даже сворачивать в рулон. Производство таких панелей легко масштабировать: технология здесь похожа на «печать» чернилами, в отличие от сложных многоступенчатых процедур по выпуску кремниевых батарей.

Название происходит от уральского минерала, который открыли в 1839 году и назвали в честь графа Льва Перовского. Позже учёные создали искусственные соединения с похожим строением - перовскитоподобные материалы. Первый их прототип появился в 2009 году и имел эффективность 3,8%. За 17 лет этот показатель вырос до 26,95%, то есть в 7 раз, по эффективности перовскитные батареи уже вплотную приблизились к кремниевым аналогам.

Важное преимущество перовскитоподобных материалов в том, что они поглощают свет в широком диапазоне длин волн, то есть такие панели могут работать не только от солнечного света, но и от искусственного освещения. Благодаря этому их рассматривают как технологию, способную вывести солнечную энергетику за пределы привычных «полей с панелями»: на здания, в интерьер и в сектор портативной электроники. Устройства смогут найти применение в медицинской сфере для круглосуточного мониторинга состояния здоровья, в «умной» одежде и гаджетах, которые фактически постоянно подзаряжаются.

Главная причина того, что перовскитные солнечные батареи до сих пор не стали частью нашей повседневной жизни, - в самом материале: остаётся самым «капризным» и проблемным элементом. Он чувствителен к влаге, кислороду, нагреву и даже к освещению, из-за чего его структура со временем разрушается. Это одна из главных причин, почему такие батареи пока рано ставить «на каждый балкон».

Но у него есть одна необычная особенность: если продукты распада не «убежали» из слоя, перовскит может восстановиться, как будто материал пытается собрать себя обратно. В этом помогают органические полупроводниковые слои. Они не только переносят заряд, но и могут защищать его. Главное - правильно подобрать материалы и архитектуру устройства.

Ученые ФИЦ ПХФ, МХ РАН и ПНИПУ совместно с коллегами из Сколтеха разработали четыре новых органических полупроводниковых материала. В качестве «скелета» молекулы выбрали трифениламин: на его основе уже создано несколько коммерчески успешных соединений, однако такие материалы часто имеют слабые зарядово-транспортные свойства и не идеально «стыкуются» по энергетическим уровням с перовскитоподобными слоями. Поэтому исследователи сосредоточились на том, чтобы улучшить именно эти характеристики.

Стратегия разработки опиралась на два подхода. Во-первых, ученые добавляли и варьировали второй фрагмент в основной цепи, сочетая трифениламиновый блок либо с карбазолом (повышает стабильность материала), либо с тиофеном (улучшает проводимость). Во-вторых, вводили объёмную боковую группу (триизопропил(2-тиенил)силильную), которая должна была повлиять на упаковку молекул и стабильность структуры.

«Было разработано четыре новых органических полупроводника. Батареи на их основе показывают до 17,8 % эффективности преобразования солнечного света относительно примерно 17% у PTAA. Это распространённый эталонный материал для дырочно-транспортных слоёв в перовскитных батареях. Но ещё важнее то, что такие элементы дольше сохраняют стабильность своих характеристик. В одинаковых условиях испытаний батареи с классическим PTAA теряют почти половину начальной мощности, тогда как устройства с нашими новыми тиофен- и карбазол-содержащими полимерами сохраняют около 90% от изначального уровня. Иначе говоря, грамотный выбор органического слоя вокруг перовскита работает как «подушка безопасности»: он не только добавляет проценты к эффективности, но и заметно продлевает жизнь будущим гибким панелям», - поясняет Михаил Терещенко, аспирант кафедры «Технология полимерных материалов и порохов» ПНИПУ.

Результаты, которых удалось добиться, стали возможны благодаря системной работе, которую ведут исследователи уже много лет.

«Данное направление не теряет своей актуальности на протяжении 15 лет, что указывает на высокий потенциал перехода от фундаментальных к прикладным разработкам и созданию конкурентноспособных электронных устройств. Наши исследования направлены на поиск оптимальной структуры дырочно-транспортного материала для того, чтобы этот переход произошел как можно раньше», - дополняет Аккуратов Александр, заведующий лабораторией фоточувствительных и электроактивных материалов ФИЦ ПХФ и МХ РАН, кандидат химических наук.

Благодаря разработке учёных 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, где нет электричества, и не менять панели каждые полгода - всё это станет реальностью.