Российские ученые подобрали ключ к созданию сверхэффективных солнечных батарей будущего

Ученые из МФТИ разработали математический метод, который позволяет «настраивать» свойства материалов для солнечных панелей. Это открытие поможет сделать солнечную энергетику дешевле и приблизить ее эффективность к теоретическому максимуму, отказавшись от долгих экспериментов вслепую.

За последние 15 лет в солнечной энергетике произошла настоящая революция. КПД панелей на основе галогенидных перовскитов — самого перспективного материала для солнечных батарей будущего — вырос с 3,8 % до более чем 25 %.

Перовскиты отлично поглощают свет, эффективно работают и стоят недорого. Но у них есть изъян. Эффективность любой солнечной батареи зависит от ширины запрещенной зоны — своеобразного энергетического барьера. Если настроить этот барьер неправильно, панель «не заметит» часть солнечного света, а избыток энергии просто рассеется в виде тепла. Теория гласит, что идеальный порог для солнечной ячейки находится в строго определенном диапазоне, но у самых популярных перовскитов он завышен.

Раньше химикам приходилось искать способы для снижения этого порога методом проб и ошибок, меняя состав материала. Физики из МФТИ решили эту проблему с помощью математики и законов симметрии.

Кристаллическая решетка перовскита похожа на сложный 3D-каркас из блоков, внутри которых находятся атомы. Эти блоки могут согласованно поворачиваться, сжиматься и смещаться — как сцепленные шестеренки в часовом механизме. Всего ученые насчитывают десять вариантов таких движений.

До сих пор было не понятно, как именно то или иное движение влияет на изменение свойств материала. Классические формулы описывали всю эту сложную систему целиком, из-за чего результаты получались неточными. Авторы разложили структуру кристалла на составляющие и с помощью квантово-механических расчетов проверили, как каждая «шестеренка» влияет на поглощение света. Оказалось, что главными «вредителями», завышающими энергетический барьер, являются повороты блоков. Если эти повороты остановить, материал становится идеальным уловителем солнечной энергии.

«Раньше такие сложные системы изучали только в совокупности. Мы предложили метод, который разбирает эту картину на детали и измеряет вклад каждой. Мы выяснили, что всем управляют два согласованных поворота в структуре кристалла, и показали, как именно их нужно учитывать при создании панелей», — рассказал один из авторов работы, ведущий научный сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ Михаил Таланов.

На основе этого открытия исследователи создали универсальный показатель (дескриптор), который с высочайшей точностью предсказывает свойства любых перовскитов. Компьютерная проверка на десятках разных материалов подтвердила это.

По словам авторов, теперь у химиков и инженеров есть четкая инструкция: чтобы сделать перовскитную солнечную батарею идеальной, нужно «заблокировать» повороты внутри кристалла. Сделать это можно, например, добавив в структуру более крупные молекулы, которым будет тесно, или слегка сдавив материал (создав внутреннее напряжение в тонких пленках).

«Язык симметрии позволяет проектировать материалы с заранее заданными свойствами. Теперь мы можем не перебирать химические составы наугад в лаборатории, а точно вычислять, какие искажения в кристалле нужно усилить, а какие подавить», — отметил еще один участник исследования, ведущий научный сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ Леон Авакян.

Авторы планируют применить предложенный подход для создания «умных» материалов, например, сверхпроводников и элементов для передовой микроэлектроники.

Исследование выполнено при поддержке Минобрнауки России и Российского научного фонда.

Источник: Официальный ресурс Министерства образования и науки Российской Федерации