Перовскиты перспективны для создания солнечных панелей, которые можно было бы легко наносить на большинство поверхностей, включая гибкие и текстурированные. Эти материалы также должны быть легкими, дешевыми в производстве и такими же эффективными, как ведущие современные фотоэлектрические материалы, которые в основном состоят из кремния. Они являются предметом растущих исследований и инвестиций, но компаниям, стремящимся использовать их потенциал, необходимо решить некоторые оставшиеся препятствия, прежде чем солнечные элементы на основе перовскита смогут стать коммерчески конкурентоспособными.

Термин «перовскит» относится не к конкретному материалу, подобному кремнию или теллуриду кадмия, другим ведущим претендентам в фотогальванической области, а к целому семейству соединений. Семейство солнечных материалов перовскита названо в честь его структурного сходства с минералом перовскитом, который был открыт в 1839 году и назван в честь русского минералога Л. А. Перовского.

Исходный минерал перовскит, представляющий собой оксид кальция и титана (CaTiO 3 ), имеет характерную кристаллическую конфигурацию. Он имеет трехчастную структуру, компоненты которой обозначены буквами A, B и X, в которых переплетаются решетки различных компонентов. Семейство перовскитов состоит из множества возможных комбинаций элементов или молекул, которые могут занимать каждый из трех компонентов и образовывать структуру, аналогичную структуре исходного перовскита. (Некоторые исследователи даже немного нарушают правила, называя другие кристаллические структуры с подобными элементами «перовскитами», хотя это не одобряется кристаллографами.)

«Вы можете смешивать и сочетать атомы и молекулы в структуре с некоторыми ограничениями. Например, если вы попытаетесь втиснуть в структуру слишком большую молекулу, вы исказите ее. В конце концов вы можете заставить трехмерный кристалл разделиться на двумерной многослойной структуры или полностью потерять упорядоченную структуру», — говорит Тонио Буонассизи, профессор машиностроения Массачусетского технологического института и директор Исследовательской лаборатории фотогальваники. «Перовскиты легко настраиваются, как кристаллическая структура типа «собери свое собственное приключение», — говорит он.

Эта структура переплетенных решеток состоит из ионов или заряженных молекул, две из которых (А и В) заряжены положительно, а другая (Х) заряжена отрицательно. Ионы A и B обычно имеют совершенно разные размеры, причем A больше.

В общей категории перовскитов существует несколько типов, в том числе перовскиты на основе оксидов металлов, которые нашли применение в катализе, а также в накоплении и преобразовании энергии, например, в топливных элементах и ​​металловоздушных батареях. По словам Буонассизи, основное внимание исследовательской деятельности на протяжении более десяти лет уделялось перовскитам галогенидов свинца.

В этой категории все еще есть легион возможностей, и лаборатории по всему миру выполняют утомительную работу, пытаясь найти варианты, которые демонстрируют наилучшие характеристики с точки зрения эффективности, стоимости и долговечности, что до сих пор было самой сложной задачей. из трех.

Многие команды также сосредоточились на вариантах, исключающих использование свинца, чтобы избежать его воздействия на окружающую среду. Однако Буонассизи отмечает, что «последовательно с течением времени устройства на основе свинца продолжают улучшать свои характеристики, и ни одна из других композиций не приблизилась к ним с точки зрения электронных характеристик». Продолжается работа по поиску альтернатив, но пока ни одна из них не может конкурировать с версиями галогенидов свинца.

По его словам, одним из больших преимуществ перовскитов является их высокая устойчивость к дефектам в структуре. В отличие от кремния, который требует очень высокой чистоты для хорошей работы в электронных устройствах, перовскиты могут хорошо работать даже с многочисленными дефектами и примесями.

Поиск перспективных новых композиций-кандидатов для перовскитов немного похож на поиск иголки в стоге сена, но недавно исследователи придумали систему машинного обучения, которая может значительно упростить этот процесс. Этот новый подход может привести к гораздо более быстрой разработке новых альтернатив, говорит Буонассизи, который был соавтором этого исследования.

Несмотря на то, что перовскиты продолжают подавать большие надежды, и несколько компаний уже готовятся начать коммерческое производство, долговечность остается самым большим препятствием, с которым они сталкиваются. В то время как кремниевые солнечные панели сохраняют до 90 процентов своей выходной мощности через 25 лет, перовскиты разлагаются гораздо быстрее. Был достигнут большой прогресс — первые образцы работали всего несколько часов, затем недели или месяцы, но новые составы имеют полезный срок службы до нескольких лет, что подходит для некоторых приложений, где долговечность не важна.

По словам Буонассизи, с исследовательской точки зрения одним из преимуществ перовскитов является то, что их относительно легко изготовить в лаборатории — химические составляющие легко собираются. Но это также и их обратная сторона: «Материал очень легко склеивается при комнатной температуре, — говорит он, — но он также очень легко распадается при комнатной температуре. Легко приходит, легко уходит!»

Чтобы решить эту проблему, большинство исследователей сосредоточены на использовании различных видов защитных материалов для инкапсуляции перовскита , защищая его от воздействия воздуха и влаги. Но другие изучают точные механизмы, которые приводят к этой деградации, в надежде найти составы или методы лечения, которые по своей природе являются более надежными. Ключевой вывод заключается в том, что в поломке в значительной степени виноват процесс, называемый автокатализом.

При автокатализе, как только одна часть материала начинает разлагаться, продукты ее реакции действуют как катализаторы, запуская разложение соседних частей структуры, и начинается неконтролируемая реакция. Аналогичная проблема существовала в ранних исследованиях некоторых других электронных материалов, таких как органические светоизлучающие диоды (OLED), и в конечном итоге была решена путем добавления дополнительных стадий очистки к исходным материалам, так что аналогичное решение может быть найдено в случае перовскиты, предполагает Буонассизи.

Буонассизи и его коллеги недавно завершили исследование, показывающее, что как только перовскиты достигают полезного срока службы не менее десяти лет, благодаря их гораздо более низкой первоначальной стоимости, которая будет достаточной, чтобы сделать их экономически жизнеспособными в качестве заменителя кремния в крупных, полезных ископаемых. масштабные солнечные фермы.

В целом прогресс в разработке перовскитов был впечатляющим и обнадеживающим, говорит он. Всего за несколько лет работы он уже достиг эффективности, сравнимой с уровнями, которых теллурид кадмия (CdTe), «который существует гораздо дольше, все еще пытается достичь», — говорит он. «Легкость, с которой эти более высокие характеристики достигаются в этом новом материале, почти ошеломляет». По его словам, если сравнить количество времени, затраченного на исследования для достижения повышения эффективности на 1 процент, прогресс в области перовскитов был где-то в 100-1000 раз быстрее, чем в случае CdTe. «Это одна из причин, по которой это так интересно», — говорит он.