Фото лабораторного образца перовскитной солнечной батареи. Источник: М.Д. Терещенко / ПНИПУ
Только за 2025 год в мире установили солнечных батарей общей мощностью 511 гигаватт – почти вдвое больше суммы всей энергосистемы России (около 271 ГВт с учётом всех ГЭС, АЭС, ТЭС и солнечных станций). На этом фоне растёт интерес к перовскитным солнечным батареям, которые называют следующим шагом после кремниевых. Это тонкие и лёгкие устройства, которые можно инсталлировать на окна, фасады и даже применять в портативной электронике. Но массовому внедрению мешает ключевая проблема: главный светопоглощающий слой – перовскитоподобный материал – остаётся крайне нестабильным и быстро деградирует под действием влаги, кислорода и высоких температур. Ученые ФИЦ ПХФ, МХ РАН и Пермского Политеха совместно с коллегами из Сколтеха разработали четыре новых полимерных материала для перовскитных солнечных батарей. Устройства на их основе после 1800 часов непрерывной работы сохраняют до 99% эффективности – тогда как стандартные материалы за то же время теряют больше половины мощности. Это поможет перовскитным батареям выйти из лабораторий на фасады зданий, крыши автомобилей, в носимую электронику и «умный дом».
Статья опубликована в сборнике материалов конференции «Функциональные материалы: создание, изучение, применение».
По прогнозам, к 2035 году мировой рынок перовскитных солнечных батарей – фотоэлементов нового поколения – вырастет в 12 раз, с 1,9 до 24 миллиардов долларов. Это тонкие и легкие устройства. Их можно гнуть, инсталлировать на окна и фасады, даже сворачивать в рулон. Производство таких панелей легко масштабировать: технология здесь похожа на «печать» чернилами, в отличие от сложных многоступенчатых процедур по выпуску кремниевых батарей.
Название происходит от уральского минерала, который открыли в 1839 году и назвали в честь графа Льва Перовского. Позже учёные создали искусственные соединения с похожим строением – перовскитоподобные материалы. Первый их прототип появился в 2009 году и имел эффективность 3,8%. За 17 лет этот показатель вырос до 26,95%, то есть в 7 раз, по эффективности перовскитные батареи уже вплотную приблизились к кремниевым аналогам.
Важное преимущество перовскитоподобных материалов в том, что они поглощают свет в широком диапазоне длин волн, то есть такие панели могут работать не только от солнечного света, но и от искусственного освещения. Благодаря этому их рассматривают как технологию, способную вывести солнечную энергетику за пределы привычных «полей с панелями»: на здания, в интерьер и в сектор портативной электроники. Устройства смогут найти применение в медицинской сфере для круглосуточного мониторинга состояния здоровья, в «умной» одежде и гаджетах, которые фактически постоянно подзаряжаются.
Главная причина того, что перовскитные солнечные батареи до сих пор не стали частью нашей повседневной жизни, – в самом материале: он остаётся самым «капризным» и проблемным элементом. Он чувствителен к влаге, кислороду, нагреву и даже к освещению, из‑за чего его структура со временем разрушается. Это одна из главных причин, почему такие батареи пока рано ставить «на каждый балкон».
Но у него есть одна необычная особенность: если продукты распада не «убежали» из слоя, перовскит может восстановиться, как будто материал пытается собрать себя обратно. В этом помогают органические полупроводниковые слои. Они не только переносят заряд, но и могут защищать его. Главное — правильно подобрать материалы и архитектуру устройства.
Ученые ФИЦ ПХФ, МХ РАН и ПНИПУ совместно с коллегами из Сколтеха разработали четыре новых органических полупроводниковых материала. В качестве «скелета» молекулы выбрали трифениламин: на его основе уже создано несколько коммерчески успешных соединений, однако такие материалы часто имеют слабые зарядово-транспортные свойства и не идеально «стыкуются» по энергетическим уровням с перовскитоподобными слоями. Поэтому исследователи сосредоточились на том, чтобы улучшить именно эти характеристики.
Стратегия разработки опиралась на два подхода. Во‑первых, ученые добавляли и варьировали второй фрагмент в основной цепи, сочетая трифениламиновый блок либо с карбазолом (повышает стабильность материала), либо с тиофеном (улучшает проводимость). Во‑вторых, вводили объёмную боковую группу (триизопропил(2-тиенил)силильную), которая должна была повлиять на упаковку молекул и стабильность структуры.
— Было разработано четыре новых органических полупроводника. Батареи на их основе показывают до 17,8% эффективности преобразования солнечного света относительно примерно 17% у PTAA. Это распространённый эталонный материал для дырочно-транспортных слоёв в перовскитных батареях. Но ещё важнее то, что такие элементы дольше сохраняют стабильность своих характеристик. В одинаковых условиях испытаний батареи с классическим PTAA теряют почти половину начальной мощности, тогда как устройства с нашими новыми тиофен‑ и карбазол‑содержащими полимерами сохраняют около 90% от изначального уровня. Иначе говоря, грамотный выбор органического слоя вокруг перовскита работает как «подушка безопасности»: он не только добавляет проценты к эффективности, но и заметно продлевает жизнь будущим гибким панелям, — поясняет Михаил Терещенко, аспирант кафедры «Технология полимерных материалов и порохов» ПНИПУ.
Результаты, которых удалось добиться, стали возможны благодаря системной работе, которую ведут исследователи уже много лет.
— Данное направление не теряет своей актуальности на протяжении 15 лет, что указывает на высокий потенциал перехода от фундаментальных к прикладным разработкам и созданию конкурентоспособных электронных устройств. Наши исследования направлены на поиск оптимальной структуры дырочно-транспортного материала для того, чтобы этот переход произошел как можно раньше, — дополняет Александр Аккуратов, заведующий лабораторией фоточувствительных и электроактивных материалов ФИЦ ПХФ и МХ РАН, кандидат химических наук.
Благодаря разработке учёных перовскитные батареи могут наконец выйти из лабораторий в реальный мир. Их можно будет печатать рулонами, как газеты, наклеивать на стены зданий, встраивать в окна, натягивать на крыши автомобилей. Заряжать телефон от рюкзака с солнечной вставкой или питать датчики на ферме, где нет электричества, и не менять панели каждые полгода — всё это станет реальностью.
Информация и фото предоставлены пресс-службой ПНИПУ
