Почему стареют перовскитные солнечные батареи: взгляд внутрь без разборки экспресс
Перовскитная солнечная батарея напоминает молодую спортсменку: на старте демонстрирует выдающиеся показатели, но быстро утомляется. Всего за восемь часов её эффективность заметно снижается, хотя видимых дефектов — трещин, пыли, отслоений — не наблюдается. Чтобы разобраться в причинах, учёные провели эксперимент: снимали электрические характеристики одной батареи на 0, 90, 280 и 480-й минуте её работы, а затем применили машинное обучение, чтобы по этим внешним данным восстановить внутреннюю картину деградации.
Внутри перовскита — класса материалов с кристаллической структурой, названного в честь минерала перовскита, — обитают подвижные ионы: заряженные частицы, которые под действием света и приложенного напряжения начинают мигрировать. Их концентрация и скорость диффузии (коэффициент диффузии) меняются со временем, причём не независимо, а согласованно. Когда концентрация ионов достигает определённого уровня, на границах между кристаллическими зёрнами — микрокристаллами, из которых состоит материал, — возникают дополнительные потери: носители заряда рекомбинируют, то есть аннигилируют, не создав электрического тока. Это похоже на команду, в которой появились лишние игроки, мешающие друг другу у ворот: вместо слаженной атаки — хаос и потеря результативности.
Такой подход — соединение компьютерных симуляций и машинного обучения — позволяет заглянуть в скрытые процессы, не разрушая устройство. Прежде для этого пришлось бы разобрать батарею и исследовать её под микроскопом, чтобы увидеть, что изменилось внутри. Теперь можно отслеживать старение в реальном времени и, возможно, научиться его замедлять.
Старение перовскитных батарей — главный барьер перед их коммерциализацией. Если удастся понять, какие именно ионы ответственны за деградацию, можно подобрать химические добавки или изменить состав материала, чтобы замедлить их движение. Тогда дешёвые, гибкие и лёгкие солнечные панели на основе перовскита смогут служить не часы, а годы, открывая путь к новой энергетике.
Перовскитные солнечные батареи за десять лет подняли эффективность с 3% до более чем 25% — быстрее, чем любой другой тип фотоэлементов в истории.
В романе Кима Стэнли Робинсона «Министерство будущего» солнечные панели из перовскита покрывают пустыни и крыши, но их деградация остаётся проблемой — как и в реальности.