Они годами искали способ улучшения солнечных панелей, и решение заключалось лишь в замене одного атома в этом материале.
17/09/2026 12:00
Обновлено до
17/09/2026 12:00
На протяжении многих лет фотовольтаическая технология искала альтернативы традиционному кремнию для повышения эффективности преобразования солнечной энергии. В ходе этих поисков перовскит стал выделяться как материал будущего XXI века, однако у него есть серьезный недостаток: зависимость от свинца или крайняя нестабильность при контакте с воздухом и влагой.
Группа ученых из Университета Висконсина-Мэдисон смогла решить эту проблему без использования сложного оборудования или новых синтетических соединений. Решением стало замена одного атома в молекулярной структуре оловянного перовскита. Это небольшое изменение может способствовать более быстрому внедрению чистых, эффективных и долговечных солнечных установок.
Задача устранения свинца в перовскитных элементах
Перовскит — это гибридный материал, сочетающий органические и неорганические компоненты в кристаллической структуре, очень эффективной для поглощения солнечного света и преобразования его в электричество. Однако более высокопроизводительные версии используют свинец — токсичный тяжелый металл, что вызывает серьезные опасения относительно экологического воздействия и устойчивости после окончания срока службы панелей.
Чтобы избежать использования свинца, промышленность обратила внимание на оловянные перовскиты. Хотя олово является экологически чистой и химически схожей альтернативой, его быстрая окисление при воздействии обычных условий окружающей среды представляло серьезную проблему. Как только материал соприкасался с кислородом или влагой воздуха, его структура разрушалась в течение нескольких часов, почти полностью теряя способность генерировать ток.
Замена одного атома для защиты структуры
Вместо того чтобы, как это обычно делается, применять внешние защитные слои или сложные герметизирующие материалы вокруг клеток, исследовательская группа решила проблему, изучив микроархитектуру самого соединения. Для этого не потребовалось синтезировать новый материал — достаточно было заменить атом фтора на атом хлора в органической молекуле, образующей кристаллическую сеть перовскита.
Эта модификация изменила способ соединения кристаллов между собой. Благодаря наличию хлора они приобрели гораздо более компактную и упорядоченную структуру, что позволило устранить микроскопические щели, через которые ранее проникали воздух и влага. В результате сама структура материала стала действовать как естественный барьер против внешних факторов, не мешая при этом транспорту электронов.
Высокая эффективность и стабильность
Результаты изменений на атомном уровне имеют важное значение для развития солнечной энергетики третьего поколения. Разработанные элементы достигли эффективности преобразования 16,2 %, что является значимым показателем для устройств на основе олова без свинца.
Помимо показателя мгновенной мощности, ключевым фактором является долговечность этих элементов. В ходе лабораторных тестов в сухом воздухе устройства сохраняли более 95 % своих первоначальных характеристик после 1 600 часов экспозиции, что соответствует примерно 67 дням. При постоянных условиях эксплуатационной нагрузки, с имитацией солнечного освещения и повышением температуры до 55 °C, материал сохранял около 80 % своей емкости после 1 000 часов непрерывной работы.
Улучшение стабильности свинцовых перовскитов открывает возможности для прямого применения в сфере возобновляемой энергетики. Получение более стабильных, эффективных солнечных панелей, не содержащих тяжелых металлов, способствует их более устойчивой интеграции в инфраструктуру зарядки, на крыши жилых домов, а также в возможную установку на кузова электромобилей.