Учёные придумали, как продлить срок работы дешёвых российских солнечных батарей

Это позволит использовать лёгкие и мощные перовскитные панели в космосе.

Способ продлить срок работы экологичных и дешёвых, но недолговечных перовскитных солнечных панелей разработали учёные Уральского федерального университета и Института проблем химической физики РАН (Черноголовка). Новый метод предложили после исследования дефектов, из-за которых панели быстро теряют эффективность в ходе эксплуатации. Это позволит использовать лёгкие и мощные перовскитные панели даже в космосе. Статья с описанием исследования опубликована в The Journal of Physical Chemistry Letters. Работу поддержали Минобрнауки России и РФФИ.

Солнечные батареи на основе органо-неорганических перовскитов являются альтернативой традиционным кремниевым солнечным элементам. Их производство дешевле и экологичнее, чем у кремниевых панелей. Кроме того, перовскитные солнечные батареи на основе йодидов свинца и метиламмония (MAPbI3) и сходных более сложных составов идеально подходят для российского климата, так как не нуждаются в прямых солнечных лучах для эффективной работы. Такие панели эффективно преобразовывают в электричество солнечный свет, рассеянный, например, облаками или туманом. Однако применению перовскитных солнечных батарей на практике мешает их недолговечность: устройства с активным слоем из MAPbI3 работают меньше года, тогда как традиционные кремниевые батареи могут прослужить до 25 лет.

Чтобы выяснить причину недолговечности перовскитных солнечных батарей, учёные применили метод сканирующей микроскопии ближнего поля с инфракрасным рассеянием. Они смогли отследить изменения в структуре и составе перовскитных плёнок под воздействием различных факторов – солнечного света, тепла и др. Исследования позволили учёным визуализировать процесс деградации и показать, что перовскитные плёнки начинают терять эффективность уже через 1100 часов работы.

«Перовскитная солнечная ячейка имеет зернистую структуру: на границах зёрен атомы в кристаллической решётке не являются координационно насыщенными, а имеют оборванные связи, которые выступают в роли вакансий или даже ловушек для носителей зарядов. Деградация материала начинается именно в областях этих дефектов. При облучении белым светом границы между зёрен начинают терять органические катионы и заполняться йодидом свинца – продуктом разложения MAPbI3, понижающим эффективность ячейки. Поэтому „залечивание“ дефектов на границах зёрен на этапе формирования плёнки может сыграть решающую роль в достижении долгосрочной стабильности перовскитных солнечных элементов», — говорит первый автор работы, научный сотрудник Института проблем химической физики РАН Никита Емельянов.

Сейчас исследователи проверяют, какие органические молекулы смогут «залечивать» дефекты и повысить срок службы перовскитных солнечных батарей. Так, они уже изучили эффект от добавления органической молекулы, содержащей азот, хлор и 4,6,10-тригидрокси-1,4,6,10-тетраазаадамантан. Обнаружено, что это соединение может значительно продлить срок службы перовскитных солнечных элементов и позволит заменить ими кремниевые солнечные батареи даже в космосе.

«Сейчас для космических спутников используют кремниевые солнечные элементы, однако перовскитные фотопреобразователи более устойчивы к радиационному облучению, а также эффективнее и экономически выгоднее в долгосрочной перспективе. Перовскитные солнечные батареи могут обеспечить удельную мощность до 24 ватт на грамм веса, а кремниевые – менее 2 ватт на грамм. То есть для одного и того же веса спутника нам будет достаточно использовать в 12 раз меньшую по весу солнечную батарею, чтобы получить столько же электроэнергии», — поясняет соавтор исследования, доцент кафедры электрофизики УрФУ Иван Жидков.

СПРАВКА

В настоящее время более 85% солнечных батарей производятся на основе монокристаллического и поликристаллического кремния. Технология их производства достаточно сложная, энергоёмкая и наносит большой урон окружающей среде. Однако энергоэффективность кремниевых батарей небольшая: устройства на основе аморфного кремния преобразуют в полезную энергию лишь около 11 % солнечного света, а максимальный КПД монокристаллических – 26,7 %.

Перовскитные солнечные батареи считают одной из наиболее перспективных альтернатив кремниевым фотоэлектрическим преобразователям, при этом они имеют несколько недостатков. КПД перовскитных солнечных батарей может превышать 25,5 %, но сохранить такую эффективность в течение длительного времени пока не удаётся.

Напомним, ранее учёные выяснили, что добавление в состав перовскита цезия и формамидиния повышает время работы перовскитных солнечных батарей и позволяет уменьшить количество ядовитого свинца в материале.

 

Источник: УрФУ
Фото: Илья Сафаров / УрФУ

Вы можете отметить интересные вам фрагменты текста, которые будут доступны по уникальной ссылке в адресной строке браузера.

Помог ли вам материал?
0    0