Солнечные батареи не будут разрушаться под дождем и выработают больше электроэнергии

11:25, 10 октября 2022

Ученые усовершенствовали недорогие перовскитные фотоэлементы

Симулированная атомная структура перовскита после допирования кальцием. Иллюстрация: Данил Бухвалов.

Ученые УрФУ нашли способ защитить перовскитные солнечные батареи на основе йодида свинца-метиламмония (перспективная альтернатива традиционным кремниевым фотоэлементам) от разрушения под воздействием воды, например, дождя. Они выяснили, что частичная замена свинца на другие щелочноземельные металлы защищает их от такой деградации, а также увеличивает части видимого спектра излучения, вовлекаемые в процесс генерации электронов. Статья о результатах исследования опубликована в Journal of Solid State Chemistry. Исследование проведено при финансовой поддержке Минобрнауки России по программе развития УрФУ «Приоритет-2030».

Перовскитные солнечные батареи на основе йодида свинца-метиламмония превосходят кремниевые элементы по производительности и простоте синтезирования. Также они способны эффективно вырабатывать электроэнергию в условиях облачности или тумана, поэтому идеально подходят для их использования в России или странах со схожим климатом. Однако полный переход на использование перовскитных солнечных панелей невозможен ввиду ряда причин, вызывающих нестабильность таких фотоэлементов.

Одной из причин нестабильности является неустойчивость соединения к контакту с водой или другими органическими растворителями. При попадании дождя на фотоэлемент соединение начинает быстро деградировать с разрушением своей структуры. Ученые определили, что защитить соединение от быстрого разрушения позволит замена свинца на такие металлы, как кальций, барий или стронций.

«Производительность солнечных батарей в значительной степени зависит от высокого уровня электрической поляризации соединения. Органическая часть, метиламмоний, неустойчива к органическим растворителям, в том числе к обычной воде. При попадании дождя все соединение начинает постепенно „растворяться“ и терять свои электрические свойства. Решить эту проблему можно, усложнив процесс распада молекул с помощью частичной замены свинца на щелочноземельные металлы, например, кальций. Он распространен и легкодоступен. При этом мы наблюдали определенные улучшения свойств соединения без потери производительности солнечного элемента», — поясняет старший научный сотрудник кафедры теоретической физики и прикладной математики УрФУ Данил Бухвалов.

Ученый отмечает, что количество свинца нельзя уменьшить на все 100 %. Полная замена атомов свинца в гибридной решетке перовскита делает их практически непригодными для использования в качестве поглотителей света в фотоэлектрических устройствах. Это случается из-за увеличения ширины запрещенной зоны — минимальной энергии, необходимой для перехода захваченного от источника света электрона в зону проводимости электричества. Когда ширина запрещенной зоны слишком большая, соединение перестает улавливать части видимого спектра излучения и преобразовывает только ультрафиолетовые лучи. Частичная замена свинца позволила не только сохранить фотоэлектрические характеристики соединения, но и немного улучшила их: соединение стало поглощать больше солнечного света для преобразования в электроэнергию.

«Оптимальной является замена свинца всего на 5 %, но даже эта, казалось бы, незначительная цифра дает несколько положительных результатов. Второй положительный эффект замены состоит в том, что ширина запрещенной зоны увеличивается, но все еще способна поглощать видимый свет. А примесь позволяет охватить даже больше частей видимого спектра, вовлечь больше излучения в процесс генерации электронов. Чем больше света она способна охватить, тем выше эффективность выработки электроэнергии», — добавляет Данил Бухвалов.

Ученый также сообщает, что утилизация содержащих свинец фотоэлементов — заметная экологическая проблема. Несмотря на то, что перовскитные элементы на основе йодида свинца-метиламмония более привлекательны и органически безопаснее, чем кремниевые, они требуют правильной утилизации, чтобы при распаде свинец не отравлял почвы. Уменьшение количества токсичного элемента в соединении заметно облегчит процесс его утилизации.

Усовершенствование перовскитных солнечных батарей на основе йодида свинца-метиламмония требует комплексного подхода и дальнейшего изучения. Данное исследование — это один из шагов к их улучшению. Напомним, что ранее исследователи УрФУ и Института проблем химической физики РАН (Черноголовка) предложили способ продления срока работы перовскитных фотоэлементов.