При участии ученых ЛЭТИ улучшены свойства перовскита, перспективного для создания более долговечных солнечных батарей

Исследователи из СПбГЭТУ «ЛЭТИ», ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН, СПбАУ РАН им. Ж. И. Алферова 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 бария и различных аминов 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», – рассказала доцент кафедры микро- и наноэлектроники (МНЭ) СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Екатерина Николаевна Муратова.

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 исследователям из Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» для дальнейшего синтеза 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 они исследовали влияние 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», – подчеркнул профессор кафедры МНЭ СПбГЭТУ «ЛЭТИ», руководитель международного гранта РНФ Вячеслав Алексеевич Мошников.

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 10 научных статьях, в том числе входящих в Q1, например, Metals, Crystals и др. 

Итоги работы представлены на таких международных конференциях, как International Conference on Advanced Materials and Nanotechnology for a Green and Sustainable future (Индия) и European Materials Research Society 2024 Spring Meeting (Франция).

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.