Область солнечной энергетики растет стремительно. Только за 2025 год в мире установили солнечных батарей общей мощностью 511 гигаватт – почти вдвое больше мощности всей энергосистемы России (около 271 ГВт с учетом всех ГЭС, АЭС, ТЭС и солнечных станций). На этом фоне все более актуальными становятся перовскитные солнечные батареи. Их все чаще называют «следующим шагом» после привычных кремниевых солнечных батарей. Это тонкие и легкие устройства, в производстве которых можно применять технологии рулонной печати. Их можно инсталлировать на окна, фасады и даже применять в устройствах портативной электроники. Но массовому выходу этой технологии из лабораторий мешает одна ключевая проблема: ее главный светопоглощающий слой – перовскитоподобный материал – остается крайне нестабильным и быстро деградирует под действием влаги, кислорода и высоких температур. Ученые ФИЦ ПХФ и МХ РАН, 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 является важным шагом на пути к выходу перовскитных солнечных батарей из лабораторий в реальный сектор – на фасады зданий, крыши автомобилей, в носимую электронику и «умный дом».
Тезисы опубликованы 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. Важное преимущество перовскитоподобных материалов в том, что они поглощают свет в широком диапазоне длин волн. Иначе говоря, такие панели могут работать не только от солнечного света, но и от искусственного освещения. Благодаря этому перовскитные солнечные батареи рассматривают как технологию, способную вывести солнечную энергетику за пределы привычных «полей с панелями» — в города: 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.
Название «перовскит» происходит от уральского минерала, который открыли в 1839 году и назвали в честь графа Льва Перовского. Позже ученые создали искусственные соединения с похожим строением кристаллической решетки – 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.
Главная причина того, что перовскитные солнечные батареи до сих пор не стали частью нашей повседневной жизни, – в самом перовскитоподобном материале: он остается 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 – грубо говоря, как будто материал пытается собрать себя обратно. Этому могут способствовать органические полупроводниковые слои. Они помимо своих основных функций транспорта носителей заряда могут защищать его. Для этого необходимо правильно подобрать материалы и архитектуру устройства.
Именно этим занимаются ученые ФИЦ ПХФ и МХ РАН, Пермского Политеха совместно с коллегами из Сколтеха. Они 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 они сосредоточились на том, чтобы улучшить именно эти характеристики.
Стратегия разработки опиралась на два подхода. Во-первых, исследователи добавляли и варьировали второй фрагмент в основной цепи, сочетая трифениламиновый блок либо с карбазолом, либо с тиофеном. Во-вторых, вводили объемную триизопропил(2-тиенил)силильную боковую группу, которая должна была повлиять на упаковку молекул и стабильность структуры.
«Было разработано четыре новых органических полупроводника. Перовскитные батареи на их основе показывают до 17.8% эффективности преобразования солнечного света по сравнению с примерно 17% у PTAA. Но еще 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 исследований не теряет своей актуальности на протяжении 15 лет, что указывает на высокий потенциал перовскитной фотовольтаики в переходе 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 ученых 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 — все это станет реальностью.