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 «лечения» солнечных панелей разработали после исследования дефектов, из-за которых панели быстро теряют эффективность в ходе эксплуатации. Это позволит использовать легкие и мощные перовскитные панели даже в космосе. Исследование опубликовано в The Journal of Physical Chemistry Letters.
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.
«Активный слой перовскитного солнечного элемента 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 к. ф.-м. н. Н. А. Емельянов из Института проблем химической физики РАН.
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.
Работу поддержали Министерство науки и высшего образования Российской Федерации (проект FEUZ 2020–0060 и AAAA-A19–119071190044–3) и РФФИ (проекты 21-52-52002, 20-42-660003).
