В пять раз увеличили срок службы солнечных батарей на основе перовскита ученые и инженеры НИТУ МИСИС. В результате удалось повысить стабильность работы, увеличить износостойкость и снизить потери мощности под воздействием внешних факторов.

В архитектуру устройства был добавлен двумерный наноматериал – максен, что позволило в три раза повысить термическую стойкость перовскитных элементов и снизить потери КПД до 4%. Главным преимуществом разработки является доступность маштабирования данного метода в промышленные технологические процессы.

На данный момент самым распространенным компонентом солнечных батарей являются кристаллические кремниевые фотоэлементы, для создания которых требуются сложные технологии, высокие температуры большие капитальные затраты на оборудование, что значительно повышает конечную стоимость продукта. Максимальный КПД таких устройств составляет около 26%, предел эффективности получения энергии от солнечных элементов – 33%, что подразумевает сложность дальнейшего увеличения их эффективности.

Альтернативой кремниевым фотоэлементам могут стать тонкопленочные перовскитные солнечные элементы, где используется новый гибридный материал – перовскит, поглощающий свет сильнее и эффективнее кремния в тонких пленках (толщина перовскитной солнечной батареи 1 мкм, а для кремния – 200 мкм). Также, в отличие от кремниевых, солнечные элементы на основе перовскита можно нанести практически на любую подложку, например, стекло или гибкую поверхность. Кроме того, перовскитные солнечные батареи могут вырабатывать энергию даже в офисном помещении, заряжаясь от лампочек. Стоимость такой энергии при промышленном производстве перовскитных фотоэлементов может стать дешевле, чем энергия от традиционных источников — нефти, угля и газа. Однако на сегодняшний день перовскитный солнечный элемент является нестабильным и недолговечным, поскольку химические реакции между слоями, а также факторы внешней среды ускоряют процессы коррозии и снижения КПД.

Ученые НИТУ МИСИС, Университета Гренобль Альпы и Римского университета Тор Вергата предложили технологию стабилизации перовскитных батарей и повышения их коррозионной устойчивости с помощью максенов (MXenes) – двумерных карбидов или нитридов переходного металла.

Эксперименты подтвердили, что добавление гибрида батокупроина и максена в качестве «интерфейса» между n-слоем и катодом не только повышает КПД перовскитного солнечного элемента, но и способствует долгосрочной стабилизации между слоями. Максен предотвращает химическое разложение и повышает износостойкость устройства.

Интерфейсная инженерия ученых НИТУ МИСИС и зарубежных коллег может стать эффективным решением проблемы ограниченного срока эксплуатации и быстрого снижения КПД перовскитных солнечных элементов. Главным преимуществом разработки является доступность маштабирования данного метода в промышленные технологические процессы, так как новый метод добавляет новых и не усложняет конструкцию прибора. Фактически добавление специального материала – максена в чернила для печати солнечных батарей может существенно повысить его долговечность.

Алевтина Черникова, ректор НИТУ МИСИС отметила:

«Современное материаловедение – это, в первую очередь, поиск новых методов и технологий создания и внедрения перспективных материалов, а также сокращение срока от их разработки до внедрения. Университет МИСиС в рамках реализации стратегического проекта «Материалы будущего» государственной программы «Приоритет 2030» ставит перед собой задачу уменьшить срок создания новых материалов с двадцати до пяти, а в некоторых случаях до двух лет. Ученые лаборатории перспективной солнечной энергетики ведут исследования в области увеличения срока эксплуатации и КПД солнечных элементов нового поколения. Одним из главных преимуществ их последней разработки является доступность масштабирования данного метода в промышленное производство».

В настоящее время команда разработчиков адаптирует метод для промышленной реализации и планирует перейти к пилотному прототипированию на широком формате. Ученые активно разрабатывают прикладные решения на основе данной технологии и открыты к сотрудничеству по развитию продуктовых направлений.

Источник: пресс-служба МИСиС