Сегодня наиболее распространенный материал для производства солнечных батарей – кремний. Однако их эффективность невелика: аморфные и поликристаллические кремниевые батареи преобразуют в энергию лишь около 11% солнечного света, максимальный КПД монокристаллических — 26,7%. Кроме того, производство таких батарей затратно и наносит большой урон окружающей среде.
В течение последнего десятилетия развивается так называемая печатная электроника — когда с помощью печатного оборудования на подложку наносится химический раствор, в результате чего образуются слои материалов заданного состава и геометрии, применимо к производству солнечных батарей — слои перовскитов.
Перовскиты — класс материалов со структурой, подобной структуре титаната кальция, где присутствуют один анион — отрицательно заряженный ион — и два катиона, положительно заряженных иона. Анион, чаще всего окислитель из ряда галогенов, заменяет позицию кислорода, один из катионов — позицию кальция, второй — титана.
Производство перовскитных солнечных батарей гораздо дешевле и экологичнее, а их КПД за последние годы вырос с 3% до 25,2%, что сопоставимо с эффективностью кремниевых батарей. В перспективе, по оценкам ученых, КПД перовскитных солнечных батарей должен достичь 36%.
Недостаток таких батарей заключается в их недолговечности. Катион из широко распространенной и доступной органики, обеспечивающий дешевизну производства, распадается настолько быстро, что срок работы батареи ограничивается примерно 2 тыс. часов, то есть менее чем 3 месяцами. Для сравнения: кремниевые батареи работают без ощутимых потерь порядка 25 лет.
Необходимость увеличить срок действия перовскитных солнечных батарей объясняет актуальность исследований внутренней термической стабильности перовскитов галогенидов свинца, которые используются в солнечных батареях как материалы-поглотители.
Ученые добавили к одному из перовскитов, CH3NH3PbI3, органическое соединение поливинилкарбазол, в результате получилась ячейка, у которой эффективность преобразования солнечного света в энергию — 18,7 %, при этом срок ее работы на 500 часов дольше современных перовскитных солнечных батарей.
«Мы не останавливаемся на достигнутом: так, замечено, что наилучшее сочетание эффективности и термостабильности дают смеси брома и йода в различных сочетаниях. Еще одна задача — либо совсем исключить использование в наших материалах токсичного свинца, либо снизить его присутствие до приемлемого уровня. Конечная цель — создание высокопродуктивных, простых и недорогих в изготовлении, долговечных солнечных батарей, энергия которых будет в разы и десятки раз дешевле, чем полученная с помощью кремниевых батарей», — сообщает доцент кафедры электрофизики УрФУ, участник исследовательского коллектива Иван Жидков.
В роли аниона в данных перовскитоподобных структурах физики использовали галогены — йод, бром и их смеси, в качестве первого катиона — органическое соединение — метиламмоний, формамидиний, а также цезий, в качестве второго катиона — свинец.
В работе исследователи ставили несколько задач. Во-первых, установить, какие процессы происходят при нагреве материалов и их термической деградации, чтобы в дальнейшем избежать нежелательных последствий, в том числе образования экологически вредных продуктов распада. Во-вторых, увеличить стабильность солнечных ячеек.
«Чтобы определить термическую стабильность разных галогенидов свинца, мы нагревали их до температур, рабочих для ячеек солнечных батарей — 90℃, и наблюдали, на какие компоненты разлагались галогениды в условиях теплового напряжения. Выяснилось, что наименее стабильны, наиболее легко разлагаемы на летучие компоненты галогениды метиламмония. Неорганические материалы с использованием цезия, напротив, обладают исключительной композиционной стабильностью, так как в их составе присутствуют нелетучие соединения цезия с бромом и йодом и отсутствуют хорошо разлагающиеся органические катионы», — рассказывает Иван Жидков.
Решения видятся ученым, в частности, в тщательной герметизации слоя поглотителя, стабилизации органического катиона определенной добавкой или в замене его более экологичным аналогом, пусть и меньшей эффективности.
Такие батареи можно использовать не только на Земле, но и в космосе за счет их высокой радиационной стабильности. Для этого придется существенно повысить термостабильность материалов: эта характеристика особенно важна в условиях вакуума, в отсутствии условий для отвода тепла.
