Долговечность — ахиллесова пята солнечной энергетики нового поколения. Но, похоже, у ученых появился убедительный ответ на главный вопрос: как заставить перспективные, но капризные материалы работать десятилетиями. Исследователи из университетов Пердью и Эмори (США) представили метод, который заметно повышает стабильность перовскитных солнечных элементов — кандидатов на роль более дешевой и эффективной альтернативы кремнию.
Перовскиты давно привлекают инженеров: они отлично поглощают свет и демонстрируют впечатляющую эффективность преобразования солнечной энергии в электричество. Особенно хорошо себя показывают галогенидные перовскиты — кристаллические материалы с высокой «светоотдачей». Проблема в том, что за лабораторными рекордами следовала суровая реальность: быстрый износ. В отличие от кремниевых панелей, которые служат десятилетиями, перовскиты деградировали слишком быстро, чтобы быть коммерчески жизнеспособными.
Ионная защита
Команда предложила нестандартное решение — стабилизировать перовскит с помощью специально разработанных ионных жидкостей. Ионные жидкости — это соли, которые остаются жидкими даже при низких температурах и активно взаимодействуют с окружающими материалами. В данном случае они стали своего рода «молекулярным клеем».
Солнечный элемент на основе перовскита устроен как сэндвич: светопоглощающий слой зажат между двумя интерфейсными слоями. Раньше большинство исследований концентрировалось на верхней поверхности, где дефекты заметнее. Новая работа пошла дальше и охватила всю структуру сразу — от объема материала (bulk) до нижнего, «погребенного» интерфейса, о котором часто забывают. Такой подход делает стабильность не локальной, а сквозной — сверху донизу.
Ключевым ингредиентом стала ионная жидкость с длинным названием — метоксиэтоксиметил-1-метилимидазол хлорид, или MEM-MIM-Cl. У нее есть боковая цепь на основе этиленгликолевого эфира, которая регулирует рост кристаллов перовскита и стабилизирует скрытые интерфейсы за счет синергии химических взаимодействий.
Если говорить проще, MEM-MIM-Cl работает как телохранитель для хрупких кристаллов. Он связывается с положительно заряженными ионами свинца, «затыкает» микроскопические вакансии — места, где не хватает ионов, — и защищает нижние границы слоев, наиболее уязвимые к дефектам.
Почему это важно
Добавление ионной жидкости в исходный материал замедляет рост кристаллов, делая его более аккуратным. В результате формируются крупные, качественные зерна с меньшим количеством внутренних дефектов — а именно они чаще всего и запускают деградацию. Более того, жидкость сама мигрирует к нижнему интерфейсу, создавая защитный барьер и предотвращая появление новых проблем на границе слоев.
Зачем вся эта химическая «ювелирка»? Потому что именно дефекты — главные враги долговечности. Убрав их одновременно в объеме и на интерфейсах, ученые резко повышают шансы перовскитных элементов выйти из лабораторий в реальный мир.
Испытание жарой и светом
Любая красивая идея должна пройти проверку практикой. Усиленные элементы подвергли экстремальному тесту: непрерывному облучению интенсивным светом при температуре 90 °C — условия куда жестче стандартных. И все же результат впечатляет: более 1500 часов работы с сохранением 90% первоначальной эффективности.
По данным исследования, элементы с MEM-MIM-Cl достигли коэффициента преобразования энергии 25,9% и превзошли прежние рекорды долговечности, установленные при более мягких режимах старения. Важно и то, что метод совместим с промышленными технологиями производства, включая «ножевое нанесение» (blade coating), подходящее для выпуска больших панелей.
Команда продолжает оптимизировать молекулярный дизайн и применяет продвинутые методы визуализации, чтобы глубже понять взаимодействие ионных жидкостей с перовскитами. Параллельно идут патентование и переговоры с индустриальными партнерами — цель очевидна: превратить научный прорыв в масштабируемое решение для глобального энергетического рынка.
Результаты работы опубликованы 1 декабря в журнале Nature Energy.
