Сотрудники ФИЦ ПХФ, МХ РАН, Пермского Политеха и их партнеры из «Сколтеха» создали четыре новых полимерных состава для перовскитных солнечных элементов. После 1800 часов непрерывной эксплуатации устройства на их основе сохраняют до 99% своей первоначальной эффективности, тогда как обычные материалы за аналогичный промежуток времени утрачивают более половины мощности. Данное достижение позволит перовскитным батареям перейти из лабораторных условий на фасады строений, крыши автомобилей, в портативную электронику и системы «умного дома». Эту информацию CNews получил от представителей Пермского Политеха.
Согласно прогнозам, к 2035 году мировой рынок перовскитных солнечных батарей — фотоэлементов нового поколения — увеличится в двенадцать раз, с 1,9 до 24 миллиардов долларов. Эти устройства отличаются тонкостью и легкостью. Их можно изгибать, монтировать на окна и фасады, а также сворачивать в рулоны. Производство таких панелей легко масштабируется: технология напоминает «печать» чернилами, в отличие от сложных многоэтапных процессов изготовления кремниевых аналогов.
Название происходит от уральского минерала, открытого в 1839 году и названного в честь графа Льва Перовского. Впоследствии ученые синтезировали искусственные соединения с аналогичной структурой — перовскитоподобные материалы. Их первый прототип был создан в 2009 году и демонстрировал эффективность 3,8%. За 17 лет этот показатель возрос до 26,95%, то есть в семь раз, и по эффективности перовскитные батареи почти сравнялись с кремниевыми.
Ключевое преимущество перовскитоподобных материалов заключается в их способности поглощать свет в широком спектре длин волн, что позволяет таким панелям функционировать не только от солнечного света, но и от искусственного освещения. Благодаря этому их рассматривают как технологию, способную вывести солнечную энергетику за рамки традиционных «полей с панелями»: на здания, в интерьеры и в сферу портативной электроники. Устройства могут быть востребованы в медицине для непрерывного мониторинга здоровья, в «умной» одежде и гаджетах, которые фактически постоянно находятся на подзарядке.
Основная причина, по которой перовскитные солнечные батареи еще не стали частью нашей повседневной жизни, кроется в самом материале: он остается наиболее «капризным» и проблемным компонентом. Он чувствителен к влаге, кислороду, нагреву и даже свету, из-за чего его структура со временем разрушается. Это одна из главных причин, почему такие батареи пока рано устанавливать «на каждом балконе».
Однако у него есть необычное свойство: если продукты распада не покинули слой, перовскит способен восстанавливаться, словно материал пытается собрать себя заново. В этом процессе помогают органические полупроводниковые слои. Они не только переносят заряд, но и могут обеспечивать защиту. Главное — правильно подобрать материалы и архитектуру устройства.
Специалисты из ФИЦ ПХФ, МХ РАН и ПНИПУ совместно с коллегами из «Сколтеха» создали четыре инновационных органических полупроводниковых материала. За основу молекулярной структуры был взят трифениламин: на его базе уже существует несколько коммерчески успешных соединений, однако такие материалы нередко обладают низкими зарядово-транспортными характеристиками и плохо согласуются по энергетическим уровням с перовскитоподобными слоями. Поэтому исследователи направили усилия на усовершенствование именно этих параметров.
Методика разработки основывалась на двух принципах. Во‑первых, ученые добавляли и изменяли второй фрагмент в основной цепочке, комбинируя трифениламиновый блок либо с карбазолом (что увеличивает стабильность материала), либо с тиофеном (что усиливает проводимость). Во‑вторых, они вводили объемную боковую группу (триизопропил(2-тиенил)силильную), предназначенную для влияния на молекулярную упаковку и устойчивость структуры.
«Мы разработали четыре новых органических полупроводника. Батареи на их основе демонстрируют эффективность преобразования солнечного света до 17,8%, в то время как у PTAA этот показатель составляет около 17%. PTAA — это широко используемый эталонный материал для дырочно-транспортных слоев в перовскитных батареях. Однако еще более значимо то, что такие элементы дольше сохраняют стабильность своих характеристик. В идентичных условиях тестирования батареи с классическим PTAA теряют почти половину своей начальной мощности, тогда как устройства с нашими новыми полимерами, содержащими тиофен и карбазол, сохраняют около 90% от исходного уровня. Иными словами, правильный подбор органического слоя вокруг перовскита действует как «подушка безопасности»: он не только повышает эффективность, но и значительно продлевает срок службы будущих гибких панелей», — отметил Михаил Терещенко, аспирант кафедры «Технология полимерных материалов и порохов» ПНИПУ.
Достигнутые результаты стали возможны благодаря планомерной работе, которую исследователи ведут на протяжении многих лет.
«Это направление сохраняет свою актуальность уже 15 лет, что свидетельствует о высоком потенциале перехода от фундаментальных исследований к прикладным разработкам и созданию конкурентоспособных электронных устройств. Наши исследования нацелены на поиск оптимальной структуры дырочно-транспортного материала, чтобы этот переход произошел как можно скорее», — заявил Аккуратов Александр, заведующий лабораторией фоточувствительных и электроактивных материалов ФИЦ ПХФ и МХ РАН, кандидат химических наук.
Благодаря этой разработке перовскитные батареи наконец смогут покинуть лаборатории и найти применение в реальном мире. Их можно будет печатать рулонами, как газеты, наклеивать на стены зданий, встраивать в окна или натягивать на крыши автомобилей. Заряжать телефон от рюкзака с солнечной вставкой или питать датчики на ферме без электричества, не меняя панели каждые полгода, — все это станет реальностью.
