Микроинженерия: российские ученые повысили ресурс печатных солнечных батарей

В лаборатории перспективной солнечной энергетики НИТУ МИСИС. Фото: пресс-служба НИТУ МИСИС.

Перовскитные солнечные элементы третьего поколения (HP-PV) – одна из наиболее перспективных разработок в области фотоэнергетики. На данный момент их эффективность сопоставима с показателями кремниевых полупроводников, но при этом из-за широкого диапазона поглощения света они могут эффективно работать в условиях малой освещённости, характерной, например, для средней полосы России, особенно в осенне-зимний период. Несмотря на большие перспективы, перовскитные солнечные элементы остаются чувствительными к влиянию окружающей среды: из-за внутренних и внешних химических процессов. На границах слоев между зернами перовскита есть вероятность образования дефектов, приводящих к утечкам тока и замедлению времени отклика.

Коллектив исследователей из НИТУ МИСИС, ИТМО и ИОНХ РАН разработал способ химической стабилизации, который вдвое увеличил надежность работы солнечных элементов при термоциклировании. Ученые применили ультратонкий слоистый перовскит на основе валериановой кислоты для компенсации состояний йода, свинца и азота в присутствии постоянной влажности и кислорода. Он образует защитную прослойку, а на молекулярном уровне ограничивает миграцию ионов и улучшает контакт между слоями материала, повышая производительность солнечного модуля. С подробностями исследования, поддержанного грантом РНФ (№ 24-62-00022), можно ознакомиться в научном журнале Applied Surface Science (Q1).

«Мы создали более устойчивые многослойные материалы на основе перовскита, состоящего из формамединиума свинца и йода, добавив к нему специально синтезированный гибридный органо-неорганический квази-2D перовскит на основе валериановой кислоты. Он сдерживает разложение молекул до иодида свинца PbI2, подавляя миграцию ионов к металлическому электроду в фотоактивном слое, что делает структуру материала стабильнее. Подавив окисление катиона, мы замедлили процесс оксидации металлических контактов в многослойных структурах, имитирующих перовскитный солнечный элемент», – рассказывает инженер научного проекта лаборатории перспективной солнечной энергетики НИТУ МИСИС Лев Лучников.

«Мы установили, что солнечные элементы с модифицированными слоями перовскита сохраняют более 90% эффективности спустя 1000 часов работы, тогда как эффективность контрольных образцов снижалась за это время до 70 %», – отметил профессор физического факультета Университета ИТМО Евгений Теруков.

Малая толщина поглощающего слоя позволяет создавать тонкопленочные структуры с помощью простых и недорогих методов нанесения. В перспективе гибкие солнечные проводники можно будет размещать на фасадах домов, крышах, окнах и балконных ограждениях зданий.

«Новый метод повышения стабильности перовскитных солнечных элементов достаточно просто внедряется в цикл печати перовскитных солнечных батарей, что делает его перспективным для масштабирования в панелях и модулях. Эту и подобные технологии мы успешно отрабатываем в рамках стратегического технологического проекта НИТУ МИСИС "Энергия материалов" по программе Минобрнауки России "Приоритет-2030"», – добавил д.т.н. Данила Саранин, заведующий лабораторией перспективной солнечной энергетики НИТУ МИСИС.

Университет науки и технологий МИСИС – ведущий вуз в области создания, внедрения и применения новых технологий и материалов. Первым в России получил статус «Национальный исследовательский технологический университет». Входит в топ-5 лучших вузов страны по версии Round University Rankings и в топ-10 рейтингов Times High Education и Interfax. В составе: 9 институтов, 6 филиалов – четыре в России и два за рубежом; 48 исследовательских лабораторий и инжиниринговых центров. Основные направления: создание инновационных материалов для микроэлектроники, космоса, ядерной и солнечной энергетики и др.; металлургия; аддитивное производство; горное дело; биоинженерия; ИТ и машинное обучение; квантовые технологии и коммуникации; инжиниринг; промышленный дизайн; технологическое искусство; экономика и инноватика. Университет занимает лидерские позиции в программе Минобрнауки России «Приоритет-2030» и федеральном проекте «Передовые инженерные школы». Является участником пилотного проекта по совершенствованию системы высшего образования.