Российские учёные повысили устойчивость перовскитных солнечных элементов к нагреву, внедрив в материал специальные органические молекулы (TPA-Py), которые стабилизируют его структуру. Время эффективной работы устройств при высокой температуре 80°С увеличилось с 260 до 700+ часов. Это важный шаг к созданию доступных и долговечных солнечных панелей нового поколения.
«В Университете МИСИС по госпрограмме „Приоритет-2030“ реализуется стратегический технологический проект „Энергия материалов“: научный коллектив под руководством молодого талантливого доктора технических наук Данилы Саранина разрабатывает технологии и материалы для альтернативной энергетики, ведёт изыскания в области увеличения срока эксплуатации и коэффициента полезного действия солнечных элементов нового поколения. Исследователи повысили устойчивость перовскита к нагреву с помощью добавления в структуру материала трифениламин-пиридиновых молекул: благодаря этому время эффективной работы устройств увеличилось почти в 3 раза. Предложенный метод может стать одним из ключевых для последующего масштабирования солнечных панелей», — рассказала ректор НИТУ МИСИС Алевтина Черникова.
На сегодняшний день перовскитные солнечные элементы значительно превосходит кремниевые аналоги по эффективности в пасмурную погоду или при искусственном освещении. Однако широкое внедрение таких панелей пока ограничено, так как под воздействием негативных факторов окружающей среды тонкие плёнки быстро разрушаются.
Одна из актуальных задач учёных-материаловедов — увеличить срок службы перовскитных модулей при высокой температуре, которая значительно ускоряет коррозию металлических контактов и образование структурных дефектов. Существующие методы стабилизации — например, поверхностная пассивация — часто работают только в мягких, близких к комнатной температуре условиях, но оказываются недостаточно эффективными при стандартных рабочих температурах солнечных панелей — 80-100°C.
Для решения этой проблемы учёные НИТУ МИСИС совместно с коллегами из Института синтетических полимерных материалов РАН предложили эффективный способ защитить перовскитный модуль от разрушения при нагреве. Исследователи добавили в материал специальные органические молекулы, которые формируют тонкие плёнки непосредственно в структуре перовскита. Они стабилизируют материал изнутри, защищая интерфейсы между слоями устройства, и замедляют возникновение дефектов.
«Добавленные нами трифениламин-пиридиновые молекулы устроены так, что одна их часть отдаёт электроны, а другая — притягивает. Благодаря этому они хорошо взаимодействуют с перовскитом и создают внутри материала небольшие электрические поля, которые меняют энергитические уровни на границах кристаллов. Это снижает потери энергии и повышает выходное напряжение до 1,14 В. Молекулы увеличивают энергию активации диффузии критических дефектов, что увеличило время эффективной работы солнечного элемента более чем в 3 раза при температуре 80°С», — рассказала инженер лаборатории перспективной солнечной энергетики НИТУ МИСИС Екатерина Ильичева.
Новые молекулы блокируют перемещение ионов внутри материала — один из главных факторов разрушения/распада перовскитов со временем. Благодаря этому срок стабильной работы при температуре 80°C увеличился почти в три раза. С подробностями исследования можно ознакомиться в журнале Solar RRL (Q1).
«Термическая деградация оставалась главным барьером на пути коммерциализации перовскитных солнечных элементов. Наша стратегия объёмной пассивации с помощью молекулы TPA-Py не только сохраняет высокую эффективность, но и радикально повышает устойчивость устройств к реальным условиям эксплуатации», — объяснил инженер научного проекта лаборатории перспективной солнечной энергетики НИТУ МИСИС Лев Лучников.
Работа выполнена в рамках стратегического технологического проекта НИТУ МИСИС «Энергия материалов» по программе «Приоритет-2030», а также поддержана грантом РНФ № 22-19-00812-P.
