Российские ученые подобрали ключ к созданию сверхэффективных солнечных батарей будущего

Ученые МФТИ разработали математический метод, позволяющий «настраивать» свойства материалов для солнечных панелей. Предполагается, что данное открытие поможет сделать солнечную энергетику дешевле и эффективнее.

За последние 15 лет в солнечной энергетике произошла настоящая революция. Коэффициент полезного действия панелей, созданных на основе галогенидных перовскитов - самого перспективного материала для солнечных батарей будущего, - вырос с 3,8 до более чем 25%. Этот материал отлично поглощает свет, эффективно работает и стоит недорого. Но у него есть изъян: эффективность любой солнечной батареи зависит от ширины энергетического барьера. Если настроить этот барьер неправильно, панель «не заметит» часть солнечного света, а избыток энергии просто рассеется в виде тепла.

Инженеры утверждают, что идеальный порог для солнечной ячейки находится в строго определенном диапазоне, но у самых популярных перовскитов он завышен. И если раньше химикам приходилось искать способы для снижения этого порога, меняя состав материала, то физики из МФТИ решили эту проблему с помощью математики и законов симметрии.

Как рассказал один из авторов работы, ведущий научный сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ Михаил Таланов, кристаллическая решетка перовскита похожа на сложный 3D-каркас из блоков, внутри которых находятся атомы. Эти блоки могут согласованно поворачиваться, сжиматься и смещаться — как сцепленные шестеренки в часовом механизме.

До сих пор было непонятно, как именно то или иное движение влияет на изменение свойств материала. Авторы исследования разложили структуру кристалла на составляющие и с помощью квантово-механических расчетов проверили, как каждая «шестеренка» влияет на поглощение света. Оказалось, что главными «вредителями», завышающими энергетический барьер, являются повороты блоков. Если эти повороты остановить, материал становится идеальным уловителем солнечной энергии.

-  Во время исследований мы выяснили, как именно надо учитывать эти повороты в структуре кристалла, - сказал Михаил Таланов. - На основе этого открытия исследователи создали универсальный показатель, который с высочайшей точностью предсказывает свойства любых перовскитов.

Теперь у химиков и инженеров есть четкая инструкция: чтобы сделать перовскитную солнечную батарею идеальной, нужно «заблокировать» повороты внутри кристалла. Сделать это можно, например добавив в структуру более крупные молекулы, которым будет тесно, или, слегка сдавив материал, создать внутреннее напряжение в тонких пленках.

Авторы исследования планируют применить предложенный подход для создания «умных» материалов, например сверхпроводников и элементов для передовой микроэлектроники.

Мона Платонова.

Фото сгенерировано с помощью ИИ