Сегодня более 85% солнечных панелей основаны на кремнии. Технология их изготовления довольно сложна, требует много энергии и наносит ущерб окружающей среде. Одна из перспективных альтернатив привычной технологии — перовскитные солнечные элементы, представляющие особую ценность для освоения космоса. В России этими материалами уже несколько лет занимается команда ученых из Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН и Уральского федерального университета.
Эффективность перовскитных солнечных элементов сегодня превысила 26%: по этому показателю они вплотную приблизились к кремниевым. Их производство дешевле и экологичнее. Но приступить к массовому внедрению таких панелей на Земле мешает существенный недостаток: эти материалы довольно быстро теряют свойства под воздействием света, кислорода и длительного нагрева. Деградация перовскитных солнечных панелей — сложная тема, представляющая собой отдельную область исследований. В то же время солнечные элементы из перовскита более стойки к ионизирующему излучению, чем панели из привычных материалов.
Важная черта перовскитных солнечных элементов, делающая их перспективным материалом для космических полетов, — бóльшая удельная мощность в сравнении с традиционными технологиями.
«Перовскитные панели намного дешевле и проще в изготовлении, чем кремниевые. Они сопоставимы с элементами из кремния по эффективности преобразования энергии, но вырабатывают в несколько раз больше энергии на 1 г веса. Таким образом, на основе перовскитов можно изготавливать более легкие панели, что существенно влияет на стоимость их вывода на орбиту», — рассказал корреспонденту «Научной России» руководитель российской научной группы от УрФУ, заведующий лабораторией фотовольтаических материалов кандидат физико-математических наук Иван Сергеевич Жидков.
Руководитель исследований от Уральского федерального университета, заведующий лабораторией фотовольтаических материалов УрФУ кандидат физико-математических наук Иван Сергеевич Жидков.
Фото: Родион Нарудинов / пресс-служба УрФУ
В космическом пространстве среди всех факторов, вызывающих разрушение перовскитных солнечных панелей, ключевое место занимает воздействие света и космических лучей. Кислорода в космосе нет, а перепады температур слишком кратковременные, чтобы нанести материалу ущерб. Поэтому для освоения космоса главным образом нужно повысить фотостабильность перовскитов и довести до оптимального уровня их устойчивость к ионизирующему излучению. Помимо этого, космические перовскитные солнечные панели должны хорошо переносить низкие температуры и сохранять эффективность в течение длительного срока.
На создание таких материалов и нацелены исследования коллектива из Екатеринбурга и Черноголовки. Используя разные подходы, ученые получают гибкие перовскитные солнечные элементы, устойчивые к свету и ионизирующему излучению и обладающие большим сроком службы. В 2025 г. эти работы вошли в число лучших достижений российских ученых за 2024 г., представленных на весеннем общем собрании членов РАН.
Образцы солнечных ячеек после испытаний на устойчивость к радиации: в УрФУ новые материалы отправляются из ФИЦ ПХФ и МХ РАН для проверки свойств и стойкости.
Фото: Родион Нарудинов / пресс-служба УрФУ
«Представлена оригинальная стратегия развития перовскитных полупроводниковых материалов, демонстрирующих высокую эффективность и длительный срок службы в экстремальных условиях воздействия космической среды. Достигнута рекордная радиационная стойкость перовскитных солнечных батарей при высоком коэффициенте полезного действия [преобразования световой энергии] <…>. Эта радиационная стойкость превосходит показатели устройств на основе кремния и арсенида галлия в 10–100 раз. Новая технология важна для развития отечественных телекоммуникационных систем и солнечных электростанций орбитального базирования», — рассказал на общем собрании членов РАН президент академии наук Геннадий Яковлевич Красников.
Примечательное свойство разрабатываемых перовскитных солнечных элементов — гибкость.
Фото: пресс-служба УрФУ
Исследования, направленные на создание перовскитных солнечных панелей для космоса, сложны и требуют немало ресурсов — финансовых вложений и дорогостоящего оборудования, — в том числе для имитации экстремальных внеземных условий во время испытаний. Работы ученых из Черноголовки и Екатеринбурга — единственные в России в этой области. В мире же подобные проекты реализуются еще в трех странах: США, Японии и Китае. Американцы уже пробуют испытывать экспериментальные солнечные элементы на своем сегменте Международной космической станции. Таким образом, успех российских исследователей может позволить нашей стране одной из первых вывести перовскитные панели в космос.
Небольшая оговорка: перовскиты, применяемые для создания солнечных панелей, — искусственные материалы. Прямого отношения к одноименному минералу перовскиту (титанату кальция CaTiO3) они не имеют, а такое название получили в силу схожей с ним структуры, включающей два катиона (положительно заряженных иона) и один анион (отрицательный ион). Место кислорода-аниона в искусственных перовскитах чаще всего занимает галоген, а заменители катионов — кальция и титана — могут различаться. Например, в случае с отечественной разработкой в роли аниона в том числе используются йод и бром, в качестве второго катиона — свинец.
«Перовскитные солнечные элементы состоят из нескольких слоев толщиной от единиц до нескольких сотен нанометров. Помимо активного перовскитного слоя, где генерируются электроны и дырки, большое значение имеют слои переноса зарядов, способствующие лучшему отводу носителей заряда из перовскитного слоя и уменьшающие рекомбинацию1. На границах слоев переноса зарядов и перовскита также могут вводиться дополнительные слои для улучшения транспорта зарядов. Кроме того, в конструкцию перовскитных солнечных элементов входят два электрода, тоже играющие важную роль, — отметил И.С. Жидков. — Состав конкретного материала может быть разным, вариантов очень много». Ученый добавил, что, так как разработки пока продолжаются, исследователи не раскрывают детального состава своих панелей.
1Рекомбинация — в данном контексте исчезновение пары «электрон проводимости — “дырка”» в полупроводнике в случае, когда электрон переходит из зоны проводимости в валентную зону.
Как отечественные исследователи модифицируют перовскитные солнечные элементы для применения в космосе? Один из методов ученые представили в статье в журнале Journal of Materials Chemistry A. за 2024 г. Выяснилось, что повысить фотостабильность и радиационную стойкость перовскитов в полтора-два раза можно за счет добавления в них металла европия. Полученные материалы показали способность работать без значительной деградации под воздействием света в течение двух-трех лет. Этот показатель сравним с фотостабильностью кремниевых панелей. А вот устойчивость к гамма-излучению и потоку электронов у модифицированных перовскитов оказалась намного выше, чем у «традиционных» солнечных элементов: новые панели начинали разрушаться только под воздействием очень больших доз облучения, эквивалентным нахождению на орбите до десяти лет. При этом улучшенные перовскитные солнечные элементы производили в шесть раз больше энергии на 1 г веса, чем кремниевые: 20 Вт против 3 Вт.
«Срок службы панелей в работе указывали при падении эффективности преобразования энергии на 80% от исходной», — пояснил И.С. Жидков.
В перспективе отечественные перовскитные солнечные панели планируется протестировать на низкой околоземной орбите. (На фото — образцы разрабатываемых структур после испытаний на устойчивость к радиации.)
Фото: Родион Нарудинов / пресс-служба УрФУ
В конце 2024 г. ученые представили еще один способ улучшить стойкость перовскитов к воздействию излучений — частичную замену ионов свинца Pb2+ на ионы щелочноземельных металлов кальция (Ca2+), стронция (Sr2+) и бария (Ba2+). При этом в материале замещались лишь от 1% до 10% катионов, так как при полной «перестановке» материал теряет эффективность как поглотитель света. А вот замена всего 1% ионов свинца показала отличные результаты, улучшив устойчивость перовскитов к свету и большим дозам ионизирующего излучения. Результаты исследования описаны в статье в журнале Materials Today Energy.
«Лучшие из разработанных образцов смогли успешно перенести высокие дозы гамма-лучей (5,5 млн Гр) и потоки электронов (30 квадрлн/см2). Такие дозы, например, получит космический корабль за 15 лет полета», — приводит пресс-служба УрФУ слова И.С. Жидкова.
Исследования ведутся при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российского научного фонда (проекты №22-61-00047 и №22-13-00463). Работами руководит вице-президент РАН Сергей Михайлович Алдошин. Как рассказал И.С. Жидков, изготовлением панелей занимаются ученые ФИЦ ПХФ и МХ РАН, в то время как УрФУ специализируется на испытаниях новых материалов на стойкость к облучению. За лабораторными исследованиями должна последовать проверка на прочность в реальных условиях: когда инновация будет доведена до совершенства, российские перовскитные панели планируется установить на космические спутники для запуска на низкую околоземную орбиту.
Источники
Комментарии И.С. Жидкова
ФИЦ ПХФ и МХ РАН. Европий помогает запустить перовскитные солнечные батареи в космос
УрФУ. Ученые придумали, как продлить срок работы дешевых российских солнечных батарей
Физико-технический институт УрФУ. Консорциум вузов выиграл конкурс Минобрнауки России
УрФУ. Анна Маринович. В академии наук работу физиков признали одной из лучших
УрФУ. Анна Маринович. Российские ученые улучшили перовскитные солнечные панели для космоса
УрФУ. Александр Титков. Ученые создали «космический» материал для солнечных батарей
Российский научный фонд. Физики повысили время работы перовскитных солнечных батарей за счет состава материала
Большая советская энциклопедия, 3-е изд. М.: Советская энциклопедия, 1969–1986. Рекомбинация электронов и дырок в полупроводниках (выдержка размещена на сайте Вологодской областной универсальной научной библиотеки)
Фото на превью и на главной странице: Родион Нарудинов / пресс-служба УрФУ
Фото в тексте: Родион Нарудинов / пресс-служба УрФУ, пресс-служба УрФУ.
