Как новый дизайн перовскитов подарит нам сверхстабильные солнечные батареи (и в чём их принцип?)

Исследователи Корнеллского университета нашли способ решить главную проблему перовскитных солнечных элементов — их недолговечность. Используя метод «согласования кристаллических решёток», учёные создали защитный слой, который не только предотвращает деградацию материала, но и повышает его эффективность до 25,3%. Потеря производительности за почти 50 дней интенсивных испытаний составила всего 5%.

Атомный пазл: как устроена проблема нестабильности

Перовскиты — класс материалов с уникальной кристаллической структурой, способных эффективно преобразовывать солнечный свет в электричество. Они легче и потенциально дешевле кремниевых аналогов, но критически уязвимы к влаге, теплу и ультрафиолету. Большинство 3D-перовскитов имеют ионно-кристаллическую структуру, напоминающую обычную соль, которая разрушается под воздействием окружающей среды.

Первые попытки защитить перовскиты с помощью двумерных (2D) слоев наталкивались на ограничения. Катион метиламмоний (МА) в защитном слое испарялся под солнечными лучами, а формамидиний (ФА), будучи более стабильным, создавал слишком сильное напряжение в кристаллической решётке из-за своих крупных размеров.

Идеальное рукопожатие: решение на наноуровне

Ключевым открытием стала идея «согласования кристаллических решёток». Учёные подобрали специальные органические молекулы-лиганды, которые обеспечили идеальную стыковку атомной структуры 2D-защитного слоя с основным 3D-перовскитом. Как объяснил ведущий автор исследования Шрипати Рамакришнан, возникла игра на противоположностях: лиганд стремится сжать решётку, а катион ФА — расширить. Баланс был найден за счёт подбора лиганда, который не слишком сильно «давил» на «клетку», позволяя ей комфортно вместить более крупный ФА.

Новая комбинация продемонстрировала выдающуюся стабильность, успешно противостоя совместному воздействию света, высокой температуры и влажности. Защитный слой не только предохраняет материал от разрушения, но и улучшает электрические характеристики: перенос зарядов между слоями стал более плавным.

КПД преобразования достиг 25,3%, а потеря производительности за почти 50 дней интенсивных испытаний составила всего 5%. Это значительный шаг к созданию коммерчески жизнеспособных перовскитных солнечных элементов.

Кремниевым солнечным панелям потребовалось около 50 лет, чтобы достичь текущего уровня развития. Перовскиты находятся в начале этого пути, но последние достижения, основанные на глубоком понимании молекулярных процессов, позволяют значительно ускорить прогресс. Один из авторов работы, Шрипати Рамакришнан, во время стажировки в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии наблюдал, как лабораторные разработки проходят испытания в реальных уличных условиях рядом с промышленными панелями, что подчеркивает технологическую значимость исследований.