Молекулярные якоря для устойчивых перовскитных солнечных элементов

Перовскитные солнечные элементы считаются одной из наиболее перспективных технологий для снижения стоимости и повышения эффективности солнечной энергетики. Международная исследовательская группа раскрыла микроскопические механизмы деградации материала при температурных перепадах и разработала стратегию её предотвращения. Этот подход основан на стабилизации хрупкой кристаллической структуры с помощью специально разработанных молекулярных «якорей».

Выживание в реальных условиях

Для достижения климатических целей солнечные элементы должны служить десятилетиями. Хотя перовскиты достигли рекордной эффективности преобразования солнечного света в электричество, в природе они сталкиваются с серьёзным врагом — экстремальными перепадами температуры.

Эксперты называют это термическим циклированием. В течение одного дня панель может переживать переход от морозной ночи к палящей жаре. Эти реальные условия, многократные нагревы и охлаждения, могут запустить раннюю фазу деградации, в которой элементы теряют свою относительную производительность.

Исследовательская группа сосредоточилась на этой проблеме и определила микроскопические причины нестабильности. Они разработали новые стратегии проектирования, чтобы сделать верхний слой тандемных солнечных элементов более прочным, способным выдерживать реальные условия эксплуатации. Тандемные элементы состоят из нескольких слоёв и поэтому лучше используют солнечный свет.

Расшифровка фазы «приработки»

В исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, команда изучила высокоэффективные широкозонные элементы — верхние ячейки в тандемном солнечном элементе.

Используя высокоразрешающие рентгеновские измерения, учёные наблюдали, как материал «дышит» в реальном времени во время быстрых температурных изменений: решётка периодически расширялась и сжималась.

Открытие оказалось впечатляющим: деградация происходит в массивной начальной фазе «приработки», когда элементы могут терять до 60% своей относительной производительности. Это открытие даёт инженерам чёткую цель: если устранить фазу приработки, можно добиться долгосрочной стабильности.

Проектирование «идеального якоря»

Как остановить разрушение материала? В другой научной работе, опубликованной в ACS Energy Letters, исследователи сообщают, как стабилизировать чувствительный кристаллический материал. Они использовали специальные органические молекулы, которые действуют как распорки, удерживая структуру вместе — подобно молекулярному каркасу.

Сравнивая разные распорки, учёные нашли оптимальный вариант: в то время как обычные распорки приводили к структурному разрушению, более объёмная органическая молекула PDMA выступила в роли превосходного якоря. Результатом стал значительно более устойчивый солнечный элемент, сохраняющий стабильность даже при механическом стрессе от быстрого нагрева и охлаждения.

Понимание этих микроскопических механизмов прокладывает путь к новому поколению солнечных модулей, которые будут одновременно высокоэффективными и достаточно долговечными для многолетней работы на открытом воздухе.