Новое исследование отечественных физиков приблизило эпоху коммерциализации космической энергетики. Увеличение фото-, радиационной стабильности батарей из перовскита — еще один шаг к ней.
Разные технологии, но проблемы одинаковые...
Инновационная разработка стала возможной благодаря тесному международному сотрудничеству отечественных и китайских ученых, финансированию со стороны Научного фонда РФ. В проекте приняли участие специалисты исследовательского центра и института физики металлов РАН, Уральского федерального университета и технологического института, расположенного в Харбине (КНР).
Примечательно, что другие страны мира тоже работают в данном направлении. Так, Япония пока реализует специальные экспериментальные проекты, а США нацелены на внедрение новинки в оснащение своих космических станций. NASA уже проводило шестимесячные испытания перовскитных солнечных панелей на МКС в условиях полноценного рабочего режима функционирования энергетических элементов. По окончании данного срока оборудование возвращали на Землю, и тогда ученые проверяли состояние солнечных ячеек.
Российские и американские разработчики используют разные технологии для изготовления образцов перовскитных панелей, однако проблема, с которой столкнулись те и другие, оказалась общей. Дело в том, что при высокой эффективности конверсии энергии (КПД у панелей NASA в 2017 году превысил 35%) у энергетических ячеек, изготовленных с использованием перовскита (титаната кальция), снижается устойчивость к радиации, перепадам температур, и в результате техника быстро деградирует. Пока увеличивать сроки и повышать качество функционирования перовскитного солнечного оборудования удавалось только за счет снижения его эксплуатационных нагрузок.
Почему панели не подходят для Земли?
В 2026 году запланировано запустить российские спутники с образцами отечественных солнечных батарей, изготовленных из титаната кальция. Они отличаются высокой универсальностью, потому могут быть использованы как на околоземной орбите, так и в открытом космосе. Новые панели, вполне возможно, заменят кремниевые батареи, чья стоимость значительно выше. Закономерно, что информация об инновационных энергетических ячейках, опубликованная в еженедельном рецензируемом научном журнале Journal of Materials Chemistry A, уже привлекла повышенное внимание как ученых, так и бизнесменов, то есть потенциальных инвесторов космических проектов.
Если проанализировать сведения о российской разработке, закономерно напрашивается вывод: кремниевые солнечные панели довольно быстро уйдут в прошлое. По словам одного из соавторов работы, кандидата химических наук Любови Орловой, перовскитные аналоги превосходят те в плане простоты технологий изготовления, требуют меньших производственных затрат и обладают более высокой радиационной стабильностью. А на Земле внедрить такую инновацию не получится, ведь элементы из титаната кальция быстро деградируют под воздействием света, воздуха, земной температуры. В космическом же пространстве перечисленные факторы не влияют на работоспособность данных батарей. Более того, элементы из перовскита в таких условиях не подвержены термодеструкции, потому что нагрев-охлаждение ячеек занимает много времени.
Как ученые решили проблему фотостабильности?
Достичь снижения скорости деградации оборудования российским специалистам удалось за счет того, что они в перечень материалов, используемых для изготовления ячеек, добавили европий (мягкий редкоземельный металл, применяемый в ядерной энергетике). Он, в свою очередь, изменил работоспособность лабораторных образцов оборудования и увеличил в 1,5–2 раза показатели по устойчивости тех при взаимодействии фотонов, радиационной стабильности. В результате участникам проекта удалось доказать: перовскитные батареи в 6 раз эффективнее и надежнее кремниевых! Первые на 1 грамм веса производят до 20 Вт энергии, вторые — почти в 7 раз меньше.
Ячейки, созданные с использованием европия, по словам заведующего лабораторией УрФУ, кандидата физико-математических наук Ивана Жидкова, смогут полноценно функционировать 2–3 года. Срок службы современных кремниевых панелей примерно такой же. Однако у российских образцов более высокая радиационная стабильность, потому что перовскитные ячейки подвергаются деградации только под воздействием больших доз радиационного излучения, получаемого обычно орбитальным оборудованием за 10 лет своего непрерывного функционирования.
