Как новый дизайн перовскитов подарит нам сверхстабильные солнечные батареи (и в чём их принцип?)

Солнечная энергетика — это уже не просто модный тренд, а насущная необходимость. И пока кремниевые панели верой и правдой служат человечеству, учёные всего мира ищут им более лёгкую, дешёвую и, что немаловажно, эффективную замену. Одним из главных кандидатов на эту роль уже добрый десяток лет считаются перовскиты. Звучит экзотично, не правда ли? На деле же это целый класс материалов с уникальной кристаллической структурой, способных удивительно эффективно преобразовывать солнечный свет в электричество. Лёгкие, потенциально дешёвые в производстве — казалось бы, вот она, революция! Но, как это часто бывает в науке, на пути к светлому будущему встала одна коварная проблема: стабильность.

Хрупкая красота: почему перовскиты так недолговечны?

Чтобы понять суть проблемы, давайте заглянем внутрь этих самых перовскитов. Представьте себе трёхмерную конструкцию, состоящую из микроскопических «клеток» на основе галогенидов металлов. Эти клетки, словно детали конструктора, соединены между собой по углам, а внутри каждой из них уютно располагаются небольшие положительно заряженные молекулы — катионы. Такая структура и обеспечивает перовскитам их замечательные фотоэлектрические свойства.

Однако у этой красоты есть и обратная сторона. По своей природе большинство 3D-перовскитов напоминают обычную соль — они имеют ионно-кристаллическую структуру. А что происходит с солью под дождём или на жаре? Правильно, она не очень-то хорошо себя чувствует. Так и перовскиты: они чувствительны к влаге, теплу и, по иронии судьбы, даже к тому самому солнечному свету, который должны улавливать. Это делает их коммерческое применение, мягко говоря, затруднительным. Ну кому нужна солнечная панель, которая выйдет из строя через несколько месяцев?

В поисках «бронежилета»: первые попытки защиты

Учёные, конечно, не сидели сложа руки. Идея пришла довольно быстро: если сам материал уязвим, нужно накрыть его чем-то вроде защитного слоя. Идеальным кандидатом на роль такого «бронежилета» показались двумерные (2D) перовскиты — более плоские и потенциально более устойчивые структуры.

Первые попытки были связаны с использованием в этом защитном 2D-слое катиона под названием метиламмоний (сокращённо МА). И поначалу всё выглядело неплохо: эффективность преобразования энергии оставалась высокой, заряд хорошо переносился. Но, увы, сам метиламмоний оказался тем ещё неженкой — он начинал буквально испаряться под солнечными лучами. Солнечные элементы на такой основе деградировали всего за несколько сотен часов работы. Согласитесь, не самый впечатляющий результат.

Тогда исследователи обратили взор на другой катион — формамидиний (ФА). Он был известен своей большей стабильностью. Но и тут возникла загвоздка. Формамидиний крупнее метиламмония, и при попытке встроить его в 2D-структуру возникало слишком сильное напряжение в кристаллической решётке. Представьте, что вы пытаетесь втиснуть слишком большой предмет в маленькую коробку — рано или поздно коробка деформируется или порвётся. Так и здесь: стабильные 2D-решётки с формамидинием просто не хотели образовываться. Тупик?

Гармония на атомном уровне: секрет «идеального рукопожатия»

И вот здесь на сцену выходят исследователи из Корнеллского университета с поистине изящным решением. Их осенила идея «согласования кристаллических решёток». Если говорить по-простому, они решили подобрать компоненты 2D-слоя так, чтобы его атомная структура идеально «стыковалась» со структурой основного 3D-перовскита, словно два идеально подогнанных элемента пазла. Или, как образно выразились сами учёные, добиться «идеального атомного рукопожатия».

Ключом к успеху стал подбор специальных органических молекул — лигандов. Эти лиганды должны были, с одной стороны, «дружить» с крупным катионом формамидиния (ФА), а с другой — обеспечивать правильное формирование всей 2D-структуры. Как объяснил ведущий автор исследования Шрипати Рамакришнан, возникла своего рода игра на противоположностях: «Лиганд в 2D-перовските стремится сжать решётку, в то время как катион ФА в «клетке» работает на её расширение». Учёным удалось подобрать такой лиганд, который не слишком сильно «давил» на «клетку», позволяя ей немного расшириться и комфортно вместить более крупный ФА. Это было настоящее искусство баланса на наноуровне!

Что получилось в итоге? Впечатляющие цифры и не только

Результаты превзошли ожидания. Новая комбинация из 3D-перовскита, покрытого специально разработанным 2D-слоем на основе формамидиния, продемонстрировала выдающуюся стабильность. Она успешно противостояла совместному воздействию света, высокой температуры и влажности, значительно превзойдя предыдущие аналоги на основе метиламмония.

Но и это ещё не всё! Оказалось, что такой защитный слой не просто предохраняет основной материал от разрушения, но и улучшает его электрические характеристики. Перенос зарядов между 3D и 2D слоями стал более плавным, что положительно сказалось на общей эффективности. Итоговые цифры впечатляют: КПД преобразования солнечного света в электричество достиг 25,3%, а потеря производительности за почти 50 дней интенсивных испытаний в жёстких условиях (свет и жара одновременно) составила всего 5%. Это действительно прорыв на пути к созданию долговечных перовскитных солнечных элементов!

От лаборатории к крыше дома: долгий путь к солнечному будущему

Конечно, путь от лабораторного образца до массового производства солнечных панелей, которые можно установить на крыше любого дома, ещё неблизкий. Как справедливо заметил профессор Цюмин Ю, один из руководителей проекта, «кремнию потребовалось около 50 лет, чтобы достичь того уровня развития… У перовскитов ещё не было этих 50 лет». Но последние достижения, основанные на глубоком понимании процессов на молекулярном уровне, позволяют значительно ускорить этот прогресс.

Интересно, что один из авторов работы, Шрипати Рамакришнан, во время стажировки в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии смог увидеть, как лабораторные разработки проходят испытания в реальных уличных условиях, бок о бок с промышленными солнечными панелями. Это, по его словам, очень вдохновляет и подчёркивает не только научную, но и огромную технологическую значимость таких исследований.

Так что же, мы стоим на пороге новой эры в солнечной энергетике? Пожалуй, ещё рано говорить о полной победе. Но каждый такой шаг, каждое «идеальное рукопожатие» атомов приближает нас к будущему, где чистая и доступная энергия солнца станет реальностью для всех. И кто знает, возможно, уже через несколько лет именно такие, усовершенствованные и «усмирённые» перовскиты будут питать наши дома и города. А пока учёные продолжают свою кропотливую работу, слой за слоем, атом за атомом выстраивая это солнечное будущее.