Ученые придумали, как продлить срок работы дешевых российских солнечных батарей

13:19, 19 мая 2022

Это позволит использовать легкие и мощные перовскитные панели в космосе

Сейчас научный коллектив, в который входит Иван Жидков, изучает эффективность работы пленок под влиянием радиации. Фото: Илья Сафаров.

Способ продлить срок работы экологичных и дешевых, но недолговечных перовскитных солнечных панелей разработали ученые Уральского федерального университета и Института проблем химической физики РАН (Черноголовка). Новый метод предложили после исследования дефектов, из-за которых панели быстро теряют эффективность в ходе эксплуатации. Это позволит использовать легкие и мощные перовскитные панели даже в космосе. Статья с описанием исследования опубликована в The Journal of Physical Chemistry Letters. Работу поддержали Минобрнауки России и РФФИ.

Солнечные батареи на основе органо-неорганических перовскитов являются альтернативой традиционным кремниевым солнечным элементам. Их производство дешевле и экологичнее, чем у кремниевых панелей. Кроме того, перовскитные солнечные батареи на основе йодидов свинца и метиламмония (MAPbI₃) и сходных более сложных составов идеально подходят для российского климата, так как не нуждаются в прямых солнечных лучах для эффективной работы. Такие панели эффективно преобразовывают в электричество солнечный свет, рассеянный, например, облаками или туманом. Однако применению перовскитных солнечных батарей на практике мешает их недолговечность: устройства с активным слоем из MAPbI₃ работают меньше года, тогда как традиционные кремниевые батареи могут прослужить до 25 лет.

Чтобы выяснить причину недолговечности перовскитных солнечных батарей, ученые применили метод сканирующей микроскопии ближнего поля с инфракрасным рассеянием. Они смогли отследить изменения в структуре и составе перовскитных пленок под воздействием различных факторов — солнечного света, тепла и др. Исследования позволили ученым визуализировать процесс деградации и показать, что перовскитные пленки начинают терять эффективность уже через 1100 часов работы.

«Перовскитная солнечная ячейка имеет зернистую структуру: на границах зерен атомы в кристаллической решетке не являются координационно насыщенными, а имеют оборванные связи, которые выступают в роли вакансий или даже ловушек для носителей зарядов. Деградация материала начинается именно в областях этих дефектов. При облучении белым светом границы между зерен начинают терять органические катионы и заполняться йодидом свинца — продуктом разложения MAPbI3, понижающим эффективность ячейки. Поэтому „залечивание“ дефектов на границах зерен на этапе формирования пленки может сыграть решающую роль в достижении долгосрочной стабильности перовскитных солнечных элементов», — говорит первый автор работы, научный сотрудник Института проблем химической физики РАН Никита Емельянов.

Сейчас исследователи проверяют, какие органические молекулы смогут «залечивать» дефекты и повысить срок службы перовскитных солнечных батарей. Так, они уже изучили эффект от добавления органической молекулы, содержащей азот, хлор и 4,6,10-тригидрокси-1,4,6,10-тетраазаадамантан. Обнаружено, что это соединение может значительно продлить срок службы перовскитных солнечных элементов и позволит заменить ими кремниевые солнечные батареи даже в космосе.

«Сейчас для космических спутников используют кремниевые солнечные элементы, однако перовскитные фотопреобразователи более устойчивы к радиационному облучению, а также эффективнее и экономически выгоднее в долгосрочной перспективе. Перовскитные солнечные батареи могут обеспечить удельную мощность до 24 ватт на грамм веса, а кремниевые — менее 2 ватт на грамм. То есть для одного и того же веса спутника нам будет достаточно использовать в 12 раз меньшую по весу солнечную батарею, чтобы получить столько же электроэнергии», — поясняет соавтор исследования, доцент кафедры электрофизики УрФУ Иван Жидков.

Справка

В настоящее время более 85% солнечных батарей производятся на основе монокристаллического и поликристаллического кремния. Технология их производства достаточно сложная, энергоемкая и наносит большой урон окружающей среде. Однако энергоэффективность кремниевых батарей небольшая: устройства на основе аморфного кремния преобразуют в полезную энергию лишь около 11 % солнечного света, а максимальный КПД монокристаллических — 26,7 %.

Перовскитные солнечные батареи считают одной из наиболее перспективных альтернатив кремниевым фотоэлектрическим преобразователям, при этом они имеют несколько недостатков. КПД перовскитных солнечных батарей может превышать 25,5 %, но сохранить такую эффективность в течение длительного времени пока не удается.

Напомним, ранее ученые выяснили, что добавление в состав перовскита цезия и формамидиния повышает время работы перовскитных солнечных батарей и позволяет уменьшить количество ядовитого свинца в материале.