Вони роками шукали спосіб покращити сонячні панелі, і рішенням було просто замінити один атом у цьому матеріалі.
17/09/2026 12:00
Оновлено на
17/09/2026 12:00
Протягом багатьох років фотовольтаїчні технології шукали альтернативи традиційному кремнію для підвищення ефективності отримання сонячної енергії. У цих пошуках перовскіт виявився перспективним матеріалом XXI століття, хоча має серйозний недолік: залежність від свинцю або, у разі його відсутності, крайня нестабільність при контакті з повітрям та вологою.
Команда вчених з Університету Вісконсин-Медісон змогла вирішити цю проблему без використання складної техніки чи нових синтетичних сполук. Рішення полягало у заміні одного атома в молекулярній структурі олов’яного перовскіту. Ця незначна зміна може прискорити впровадження більш чистих, ефективних та довговічних сонячних установок.
Виклик усунення свинцю в клітинах перовскіту
Перовскіт — це гібридний матеріал, який поєднує органічні та неорганічні компоненти в дуже ефективній кристалічній структурі для поглинання сонячного світла та перетворення його на електроенергію. Однак версії з вищою продуктивністю використовують свинець — токсичний важкий метал, що створює серйозні питання щодо впливу на навколишнє середовище та сталості після закінчення терміну служби панелей.
Щоб уникнути використання свинцю, промисловість зосередила увагу на перовскитах олова. Хоча олово є екологічною та хімічно схожою альтернативою, його швидка окислюваність під впливом повсякденних умов навколишнього середовища становила значну проблему. Як тільки матеріал потрапляв у контакт з киснем чи вологою повітря, його структура руйнувалась протягом кількох годин, майже повністю втрачаючи здатність генерувати струм.
Заміна одного атома для захисту структури
На відміну від звичайної практики застосування зовнішніх захисних шарів чи складних герметизаційних систем навколо клітин, дослідницька група підійшла до цієї проблеми з точки зору мікроархітектури самого сполуки. Для вирішення завдання не знадобилось синтезувати новий матеріал — достатньо було замінити атом фтору на атом хлору в органічній молекулі, яка утримує кристалічну структуру перовскіту.
Ця зміна вплинула на спосіб, у який кристали з’єднуються між собою. Завдяки додаванню хлору вони набули значно більш компактного та упорядкованого викладу, що призвело до усунення мікроскопічних пор, крізь які раніше проникали повітря та волога. У результаті сама структура матеріалу почала функціонувати як природний бар’єр проти зовнішніх факторів, не порушуючи при цьому процесу транспорту електронів.
Висока ефективність та стабільність
Результати змін на атомному рівні мають велике значення для розвитку сонячної енергетики третього покоління. Розроблені клітини досягли ефективності перетворення 16,2 %, що є значущим показником для пристроїв на основі олова без свинцю.
Окрім даних про миттєву потужність, ключовим фактором є тривалість служби цих елементів. Під час лабораторних випробувань у сухому повітрі пристрої зберегли понад 95 % своєї початкової продуктивності після 1 600 годин експозиції, що еквівалентно приблизно 67 дням. За умов постійного операційного навантаження, зі штучним освітленням та підвищенням температури до 55 °C, матеріал зберіг майже 80 % своєї ємності після 1 000 годин безперервної роботи.
Покращення стабільності перовскітів без свинцю відкриває можливості для прямого застосування у секторі відновлюваної енергетики. Створення більш стабільних, ефективних сонячних панелей без важких металів сприяє їх більш сталий впровадженню у інфраструктуру для зарядки, на дахах житлових будинків, а також у можливому використанні на кузовах електромобілів.