Коллектив российских физиков повысил фото- и радиационную стабильность перовскитных солнечных панелей, что позволяет использовать их в открытом космосе (к примеру, на Международной космической станции) и на спутниках, летающих на околоземной орбите. Такие панели могут заменить более дорогостоящие кремниевые батареи, полагают исследователи. Прослужить они могут от трех до десяти лет. Работа прорывная, так как благодаря ей Россия может стать одной из первых стран, кто выведет в космос перовскитные панели. Описание новых солнечных ячеек и результаты их испытаний ученые опубликовали в Journal of Materials Chemistry A. Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проекты № 22-61-00047 и № 22-13-00463).
«Сегодня в открытом космосе используют преимущественно кремниевые солнечные панели, потому что они более устойчивы к сочетанию различных негативных факторов. Однако перовскитные панели имеют серьезные преимущества перед кремниевыми — они проще в изготовлении, дешевле и имеют более высокую радиационную стабильность», — объясняет руководитель группы молекулярной и гибридной электроники ФИЦ Проблем химической физики и медицинской химии РАН Любовь Фролова.
На Земле под действием кислорода, света и длительного нагрева перовскитные ячейки быстро деградируют. В космосе кислорода нет, а периоды нагрева и охлаждения короткие, за это время термодеструкция не успевает произойти, поясняют ученые. Поэтому команде физиков главным образом нужно было решить вопрос фотостабильности — снизить скорость деградации панелей под взаимодействием фотонов. Это удалось сделать за счет добавления европия, что повысило работоспособность перовскитных ячеек одновременно по трем параметрам — свету, гамма-излучению и электронам. В результате показатели по фото- и радиационной стабильности увеличились в 1,5–2 раза.
«Перовскитные солнечные ячейки с добавлением европия могут работать 2–3 года без существенной деградации под фотоизлучением. Это сравнимо со временем жизни работающих сегодня в космосе кремниевых солнечных панелей. Но при этом нам удалось повысить радиационную стабильность. Она намного выше, чем у кремниевых панелей: эксперименты показали, что перовскитные панели начинают деградировать под воздействием только очень больших доз радиации, характерных для пребывания на орбите вплоть до 10 лет. То есть перовскитные ячейки прекрасно подойдут для работы в космосе, потому что они эффективные, дешевые и стабильные», — рассказывает заведующий лабораторией фотовольтаических материалов УрФУ Иван Жидков.
Как поясняет ученый, перовскитные солнечные панели примерно в шесть раз эффективнее кремниевых: на один грамм веса они производят до 20 Вт энергии, а кремниевые — 3 Вт/г.
В России такими исследованиями занимается только одна научная группа — из Черноголовки и Екатеринбурга. В мире над созданием таких панелей для применения в космосе работают еще в США, Японии и Китае. В Японии на сегодня есть пилотные, но небольшие проекты, а США уже испытывают первые образцы подобных панелей на модуле NASA МКС.
«Мы в этом плане идем с коллегами почти вровень. В NASA тоже разработали аналогичные ячейки, но немного по другой технологии и с другими показателями. Их сейчас испытывают на МКС. Наша цель — в 2026 году запустить российские спутники с отечественными перовскитными панелями», — заключает Иван Жидков.
Как полагают ученые, дальнейшее развитие этого исследования позволит коммерциализировать перовскитные панели для использования в космосе.
Отметим, в исследовании приняли участие физики ФИЦ Проблем химической физики и медицинской химии РАН, Уральского федерального университета, Института физики металлов УрО РАН, Харбинского технологического института.
Уральский федеральный университет — один из ведущих вузов России, расположен в Екатеринбурге. Участник проекта по созданию кампусов мирового уровня — части национального проекта «Наука и университеты», реализуемого Минобрнауки России. Университет — участник государственной программы поддержки российских вузов «Приоритет-2030», выступает инициатором создания и выполняет функции проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня «Передовые производственные технологии и материалы».