Совместные исследования ученых из университетов Великобритании и Японии позволили разгадать секрет "ахиллесовой пяты" перовскитов - дешевой альтернативы для изготовления элементов солнечных батарей, сообщает издание Phys.org. Результаты этой работы могут в ближайшем будущем проложить путь к созданию долговечных фотоэлектрических элементов. 

Перовскитная фотоэлектрическая техника может стать коммерческой реальностью в самое ближайшее время. DiyanaDimitrova/ iStock

Освоение технологий неисчерпаемой солнечной энергии является одной из стратегий, которые используют страны в своем стремлении уйти от ископаемых видов топлива. Масштабное производство солнечных панелей предусматривает наличие специализированной инфраструктуры для обработки кремния, что влечет за собой большие капитальные затраты. Все это отражается на высокой стоимости фотоэлектрических элементов и становится серьезным препятствием на пути к освоению этой формы возобновляемой энергии.

Перовскит (естественный природный минерал, титанат кальция, CaTiO₃), представляет собой более дешевую альтернативу кремнию в производстве фотоэлектрических элементов. Однако путь к его коммерческому использованию не так-то прост. 

Проблема с перовскитами

Типичная солнечная батарея, изготовленная с использованием кремния, обычно служит 20-25 лет. Чтобы конкурировать с ними по долговечности, панели из перовскита должны оставаться работоспособными как минимум в течение десятилетия. Однако этого не удалось достичь даже в условиях лабораторных исследований. В коммерческих масштабах производительность этих панелей, как ожидается, упадет еще больше. 

Поэтому исследователи из Кембриджского университета в Великобритании и Окинавского института науки и технологий (OIST) в Японии изучили солнечные панели на основе перовскита до наномолекулярного уровня, чтобы понять, почему эти панели деградируют со временем. 

Предыдущие исследования команды, с использованием аналогичных методов, привели их к явлению, известному как ловушки носителей. Используя возможности электронной микроскопии, ученые наблюдали за изменениями, происходящими в этих ловушках под воздействием солнечного света, и теперь могут объяснить их связь с долговечностью солнечных фотоэлементов.

Решение для создания устойчивых солнечных батарей 

Перовскиты могут быть приготовлены в жидких чернилах и напечатаны в виде тонкого слоя солнечных элементов. Немного модифицировав химический состав перовскитов, исследователи смогли во время печати настроить процесс формирования перовскитной пленки и сдержать появление ловушек носителей. Разработчики надеются, что фотоэлектрические элементы, разработанные с учетом этих изменений, будут оставаться работоспособными в течение более длительных периодов времени и приблизят нас к коммерчески доступным перовскитным фотоэлектрическим устройствам в самое ближайшее время. 

"Производственные процессы должны включать в себя тщательную настройку структуры и состава на больших площадях, чтобы исключить любые следы нежелательных фаз", - сказал доктор Сэм Стрэнкс из Кембриджского университета, возглавлявший исследование. "Это отличный пример того, как фундаментальная наука непосредственно направляет масштабное производство".

Производство перовскитных фотовольтаических элементов не требует дорогостоящей инфраструктуры, как для кремниевых элементов, и может быть организовано в регионах, где нет мощностей для обработки кремния. Это большое преимущество для стран с низким и средним уровнем дохода, которые стремятся перейти на солнечную энергию, говорится в пресс-релизе. 

Исследователи опубликовали свои результаты в журнале Nature.
Источники: Википедиа, Journal Nature, Phys.org
(https://ru.wikipedia.org/wiki/Титанат_кальция)
(https://www.nature.com/articles/s41586-022-04872-1)
(https://phys.org/news/2022-05-secret-achilles-heel-perovskite-alternatives.html)