Ученые ЛЭТИ улучшили свойства материала для создания более долговечных солнечных батарей

Исследователи из СПбГЭТУ «ЛЭТИ», ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН и БГУИР синтезировали наноматериалы, которые позволят создавать более долговечные и эффективные фотоэлектрические панели.

Солнечная энергетика становится все более важным направлением альтернативной энергетики в мире, особенно в связи с глобальным изменением климата и необходимости перехода к устойчивым источникам энергии. Россия обладает значительными природными ресурсами, что открывает перспективы для развития солнечной энергетики как одного из ключевых компонентов энергетического баланса страны. 

Сегодня в число наиболее перспективных материалов для производства солнечных элементов входят перовскитоподобные наноматериалы. Эти соединения обладают высокой эффективностью преобразования солнечной энергии в электрическую и относительно низкой стоимостью производства. Однако, несмотря на свои преимущества, солнечные элементы на основе перовскитов имеют низкий срок эксплуатации, что ограничивает их долговечность и эффективность. Это объясняется тем, что под воздействием внешних факторов, таких как влажность и температура или свет, перовскитные солнечные элементы могут терять свои свойства и быстро деградировать. 

Одним из решений данной проблемы является так называемое легирование, которое подразумевает процесс добавления в состав одного материала примеси другого материала в целях изменения свойств первого. Поэтому для увеличения срока эксплуатации и повышения эффективности перовскитных солнечных элементов отечественные исследователи ведут поиски таких материалов, которые могут быть включены в их структуру.

«Мы работаем над созданием высокоэффективных перовскитных ячеек. Для этого проводится ряд исследований, направленных на изучение кристалличности перовскитоподобных пленок, влияния добавок на преобразование структуры перовскита и, как следствие, на их основные свойства. Так, например, нами было обнаружено, что при введении бария в структуру перовскита наблюдаются более высокие значения фотолюминесценции».

Специалисты из Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники (БГУИР) под руководством к.т.н., доцента БГУИР Игоря Альфонсовича Врублевского предоставляли легированные различными веществами (аминами и барием) материалы на основе перовскитов в виде порошков и пленок ученым СПбГЭТУ «ЛЭТИ» для дальнейшего синтеза и исследования электронных материалов. 

После чего ученые ЛЭТИ совместно с БГУИР и Физико-техническим институтом им. А. Ф. Иоффе РАН (ФТИ) во главе с д.ф-м.н., профессором ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН Андреем Николаевичем Алешиным занимались изучением морфологии наноструктур (размера, формы и пространственной организации) и электрофизических свойств, а также исследованием влияния материала подложек (кремния, стекла, оксидных пленок и др.), на которые наносились структуры структуры перовскита. 

В ходе работы исследовались молекулярная структура и химический состав полученного материала, а также то, какие вещества присутствуют в образце и в каких количествах. В том числе, ученые смотрели на то, как скорость деградации синтезированных исследователями перовскитных структур зависит от внешних условий, а именно от температуры, влажности и различного рода облучения.

Важным этапом исследования является изучение транспортных слоев солнечной ячейки, которые представляют собой оксидные слои металлов, например, оксида титана. Ученые оценивали их электрические свойства, а также влияние межслоевой прослойки между активным и транспортным слоем на проводимость формируемой структуры. Эти работы проводились в совместном c «ООО «НТ-МДТ» Центре сканирующей зондовой микроскопии на кафедре МНЭ СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 

«Результаты исследования показали, что с помощью особой фрактальной организации материалов на наноуровне, которая повторяет свои формы и узоры на разных масштабах, можно повысить стабильность перовскитных солнечных элементов, уменьшив физическую и химическую деградацию свойств материала. В будущем мы планируем создать прототип солнечной ячейки с отработанными нами составами слоев».

Результаты исследования по влиянию легирования барием на поведение проводимости и импеданса органо-неорганических перовскитных пленок опубликованы в научном журнале Solid State Communications. В целом, результаты проведенных в рамках данного проекта работ представлены более чем в 20 научных публикациях, в том числе в журналах, входящих в Q1, например, Metals, Crystals и др., а также на таких международных конференциях, как International Conference on Advanced Materials and Nanotechnology for a Green and Sustainable future и European Materials Research Society 2024 Spring Meeting.

Работа «Повышение эффективности преобразования энергии солнечных элементов на основе допированных перовскитных ячеек с транспортными слоями наноразмерной толщины из оксидов переходных металлов» выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда (№ 23-42-10029) и Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований № Ф23РНФ-160.