Если вы хоть немного интересуетесь альтернативной энергетикой, то наверняка слышали про перовскиты. Про них говорят как про главную надежду отрасли: они дешевые, гибкие, их производство не требует сложных технологий, как в случае с кремнием. Но есть одна засада — живут они совсем недолго. Перовскитные элементы сыплются буквально за считанные месяцы под воздействием влаги, жары и солнечного света. Из‑за этого коммерческого прорыва все никак не случалось. И вот, кажется, появился реальный способ это исправить.
Химики с факультета наук о материалах МГУ предложили простое и элегантное решение. Они добавили в состав батарей специальное вещество, которое работает как «ремонтная бригада»: когда материал начинает разрушаться, добавка нейтрализует продукты распада и не дает дефектам убить элемент. Работа поддержана Российским научным фондом и опубликована в солидном международном журнале Journal of Energy Chemistry. Если коротко, то ученым удалось увеличить срок службы перовскитных батарей в разы. И вот тут начинается самое интересное.
Почему перовскиты ломаются и при чем тут йод
Чтобы понять суть открытия, нужно чуть‑чуть углубиться в химию, но я постараюсь объяснить на пальцах. Перовскит — это кристаллическая структура, которая очень хорошо поглощает свет и превращает его в электричество. Проблема в том, что эти кристаллы нестабильны. Представьте себе идеально уложенную стену из кирпичей. А теперь представьте, что на стену светит палящее солнце, льет дождь и дует ветер. Кирпичи начинают крошиться, в стене появляются дыры. В перовските то же самое: под воздействием тепла, света и кислорода он распадается. Выделяются агрессивные вещества — свободный йод, атомарный кислород и даже металлический свинец. Эти частицы бомбардируют материал и окончательно его добивают.
Ученые из МГУ давно искали способ защитить батарею от этой внутренней коррозии. Раньше пробовали разные пассиваторы — вещества, которые затыкают дефекты еще на стадии производства. Но проблема в том, что дефекты появляются не только при сборке, но и во время работы. И тут нужен был не просто статичный «затыкатель», а что‑то динамичное. Сотрудники лаборатории новых материалов для солнечной энергетики даже разработали специальное оборудование, которое испытывает батареи в условиях, максимально приближенных к реальным: с нагревом, влажностью и имитацией солнечного спектра. Это позволило им увидеть картину целиком, а не только в идеальной лабораторной среде.
«Мы объясняем эти улучшения не только подавлением дефектов на начальных этапах сборки, но и адаптивным взаимодействием с продуктами распада», — рассказывает Наталья Удалова, научный сотрудник лаборатории. То есть ключевое слово здесь — «адаптивность».
Магия молекулы: как MEACl чинит батарею на ходу
Итак, что же за чудо‑вещество придумали химики? Называется оно хлорид 2-меркаптоэтиламмония, или для краткости MEACl. Страшное название, но суть красивая. Молекула MEACl устроена так, что она может находиться в двух разных состояниях — с S–H связью и с S–S связью. Звучит сложно, но на деле это похоже на переключатель.
Когда батарея только собрана и работает нормально, молекула находится в спокойном состоянии. Но как только начинается деградация и появляется тот самый агрессивный свободный йод или кислород, молекула MEACl мгновенно реагирует. Она переключается и связывает эти вредные вещества, не давая им разрушать перовскит дальше. Получается этакий умный материал, который чувствует, где возникла проблема, и сразу ее решает. Авторы работы подтвердили этот механизм с помощью сложных спектроскопических методов — то есть они буквально увидели, как молекула меняет свое состояние.
Самое удивительное, что добавки нужно совсем немного — всего от 0,1 до 0,5 молярных процентов. Это как если бы вы капнули каплю лекарства в ведро с водой, и вода вдруг приобрела целебные свойства. При этом эффективность преобразования энергии не падает, а вот живучесть растет колоссально.
Тысячи часов под солнцем: что показали тесты
Лабораторные испытания — это всегда стресс для материала. Ученые МГУ не стали жалеть свои образцы. Они взяли герметично упакованные (инкапсулированные) солнечные элементы и устроили им настоящий ад: одновременно светили мощной лампой, имитирующей солнце, грели до 85 градусов и оставили на открытом воздухе, чтобы влага и кислород делали свое черное дело.
Контрольные образцы без добавки сдались довольно быстро. А вот те, в которые добавили MEACl, продержались в три раза дольше. Но самый крутой результат получили при температуре 65 градусов. Это, кстати, гораздо ближе к тому, что происходит с реальной панелью на крыше дома в жаркий день, особенно если она немного обдувается ветром или имеет охлаждение. При 65°C модифицированные элементы проработали почти 2000 часов, и их стабильность была в четыре раза выше, чем у обычных. Почти 2000 часов непрерывной работы под палящим солнцем и жарой — это уже серьезная заявка на то, чтобы выходить из лаборатории в поля.
«Наша работа показывает, что даже небольшое количество модификатора может существенно повлиять на долговечность, — объясняет Алексей Тарасов, заведующий лабораторией. — Понимание того, как именно происходит деградация и как ее подавить, открывает дорогу к реально надежным солнечным элементам нового поколения».
Что дальше? Космос и не только
Конечно, на достигнутом ученые останавливаться не собираются. Во‑первых, тот же подход можно попробовать применить и в других областях. Гибридные перовскиты используют не только в солнечных батареях, но и в светодиодах, лазерах, разных сенсорах. Везде, где важна стабильность, «адаптивные пассиваторы» могут пригодиться.
Во‑вторых, у команды МГУ есть смелая гипотеза, что MEACl может защищать перовскиты не только от жары и влаги, но и от радиации. «Более того, MEACl в качестве модификатора перовскита имеет высокий потенциал для повышения радиационной устойчивости наших устройств, что мы планируем дополнительно исследовать в рамках нашего проекта», — делится планами Алексей Тарасов. Если это сработает, то легкие и дешевые перовскитные батареи можно будет отправлять в космос или использовать на атомных объектах, где обычная электроника долго не живет. Представьте себе космические спутники, покрытые не тяжелым стеклом и кремнием, а гибкой пленкой, которая к тому же умеет сама себя чинить. Звучит как научная фантастика, но, похоже, мы становимся к ней чуточку ближе.
Подписывайтесь на канал, чтобы не пропустить новые статьи и ставьте нравится.
