Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) совместно с коллегами из Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии (ФИЦ ПХФ и МХ) РАН и Сколтеха разработали четыре новых полимерных материала для перовскитных солнечных батарей. Устройства на их основе после 1 800 часов непрерывной работы сохраняют до 99% эффективности в то время, как стандартные материалы за то же время теряют больше половины мощности, рассказали ТАСС в пресс-службе ПНИПУ.

«Перовскитные солнечные батареи называют следующим шагом после кремниевых. Это тонкие и легкие устройства, которые можно инсталлировать на окна, фасады и даже применять в портативной электронике. Но массовому внедрению мешает ключевая проблема: главный светопоглощающий слой — перовскитоподобный материал — остается крайне нестабильным и быстро деградирует под действием влаги, кислорода и высоких температур. Для решения этой проблемы ученые ФИЦ ПХФ, МХ РАН и ПНИПУ совместно с коллегами из Сколтеха разработали четыре новых органических полупроводниковых материала», — сообщили в Пермском политехе.

По словам исследователей, важное преимущество перовскитоподобных материалов в том, что они поглощают свет в широком диапазоне длин волн, то есть такие панели могут работать не только от солнечного света, но и от искусственного освещения. Поэтому их рассматривают как технологию, способную вывести солнечную энергетику за пределы привычных «полей с панелями»: на здания, в интерьер и в сектор портативной электроники. Устройства на их основе смогут найти применение в медицинской сфере для круглосуточного мониторинга состояния здоровья, в «умной» одежде и гаджетах, которые фактически постоянно подзаряжаются.

Однако главная причина того, что перовскитные солнечные батареи до сих пор не стали частью нашей повседневной жизни, кроется в самом материале — он остается самым «капризным» и проблемным, поскольку чувствителен к влаге, кислороду, нагреву и даже к освещению. Но у этого материала есть необычная особенность: если продукты распада не «убежали» из слоя, перовскит может восстановиться, собрать себя обратно. В этом ему помогают органические полупроводниковые слои, которые не только переносят заряд, но и могут защищать его. Главное — правильно подобрать материалы и архитектуру устройства, что и сделали российские ученые, разработав четыре новых органических полупроводниковых материала.

В качестве «скелета» молекулы исследователи 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 ученые улучшали именно эти характеристики.

«Было разработано четыре новых органических полупроводника. Батареи на их основе показывают до 17,8% эффективности преобразования солнечного света относительно примерно 17% у PTAA. Это распространенный эталонный материал для дырочно-транспортных слоев в перовскитных батареях. 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», — рассказал аспирант кафедры «Технология полимерных материалов и порохов» ПНИПУ Михаил Терещенко.

Как отметили в ПНИПУ, благодаря разработке ученых перовскитные солнечные батареи получат возможность «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.