За последние десять лет перовскитные солнечные элементы вышли на рекордные показатели эффективности — они уже не уступают, а то и превосходят обычные кремниевые батареи. Но есть одна загвоздка, которая не даёт этой технологии спокойно выйти на рынок: нестабильность в реальных условиях. Когда солнце светит часами, внутри элемента скапливается тепло. Из-за этого ионы начинают бродить куда не надо, кристаллическая решётка искажается, и материал необратимо разрушается. Обычные методы вроде пассивации дефектов или защитной упаковки помогают, но не решают главную проблему — нагрев возникает прямо в самом перовскитном слое. Чтобы сделать такие батареи коммерчески выгодными, нужно обеспечить быстрый отвод тепла. Поэтому учёные всё глубже изучают, как управление формой кристаллов (гранью, которая растёт наружу) может сделать перовскит устойчивым к нагреву.

Группа исследователей из Шаньдунского университета науки и технологий, Юньнаньского педагогического университета и других институтов предложила новый подход. Они опубликовали результаты в журнале eScience. Идея в том, чтобы заставить кристаллы перовскита расти преимущественно одной гранью — (100). Для этого они добавили в смесь метиламина хлорид, который управляет кристаллизацией. У таких плёнок теплопроводность выше, а значит, они меньше накапливают тепло. В итоге исследователи собрали инвертированные солнечные элементы с эффективностью 25,12%. Устройства работали очень стабильно, и это открывает путь к массовым, не боящимся жары солнечным панелям.

Ученые не просто экспериментировали, но и заранее просчитали поведение материала на компьютере. Они взяли состав Cs0.03FA0.97PbI3 и с помощью теории функционала плотности выяснили, что грань (100) лучше проводит тепло, чем грани (110) и (111). Тогда они подобрали метиламина хлорид, чтобы при выращивании плёнки именно грань (100) оказывалась сверху. Измерения подтвердили: теплопроводность выросла с 1,005 до 1,068 Вт/ (м·К), а равновесная температура самого элемента упала на 5,25 градуса Цельсия.

Дальше — тесты производительности. Элементы с ориентацией (100) достигли сертифицированных 25,12% КПД. Но главное — они почти не теряли эффективность при нагреве. Обычно у перовскитных элементов коэффициент температуры составляет –0,564% на каждый градус Кельвина (то есть с ростом температуры КПД падает). А здесь он улучшился до –0,0575% на градус. То есть нагрев почти не страшен.

Проверили и долговечность. Оптимизированные ячейки сохранили более 96% начальной эффективности после 2280 часов хранения, 90% — после 1128 часов теплового старения и свыше 92% — после 1088 часов непрерывного освещения. Такой результат говорит, что правильный выбор кристаллической грани напрямую подавляет безызлучательную рекомбинацию, улучшает подвижность носителей заряда и повышает одновременно КПД и живучесть.

Профессор Куньвэй Тан и профессор Цзялун Дуань (руководители работы) поясняют:

Управление теплом долго было узким местом для перовскитных солнечных элементов. Мы показали, что если специально настроить ориентацию кристаллов в плёнке, можно одновременно поднять эффективность и устойчивость — без одной лишь надежды на герметизацию. Грань (100) не только быстрее отводит тепло, но и уменьшает количество дефектов. Это фундаментальный и масштабируемый способ продвинуть перовскитную фотовольтаику в реальную жизнь.

Для науки это исследование — как ключ к дверце, которую раньше просто не замечали. Обычно все думали о химическом составе или о том, как запечатать ячейку от влаги и кислорода. А тут вдруг выяснилось, что сама форма кристалла — не просто деталь, а мощный рычаг. Теплопроводность зависит от того, какой гранью кристалл повёрнут наружу. Это открывает целое направление: можно проектировать кристаллические плёнки с нужными свойствами, как конструктор. Учёные теперь могут не вслепую перебирать добавки, а целенаправленно искать вещества, которые вытягивают полезные грани.

В реальной жизни польза ощутима сразу. Представьте солнечную электростанцию в пустыне или в южной стране, где летом крыши раскаляются до шестидесяти градусов. Обычные перовскитные панели там быстро деградируют. А элементы с ориентацией (100) греются на 5 градусов меньше и почти не теряют мощность при нагреве. Это означает, что их можно ставить на те же места, где сейчас работают кремниевые батареи, но перовскиты дешевле в производстве. Меньше нагрева — дольше срок службы, реже нужна замена, ниже затраты на обслуживание. Плюс такая технология позволяет создавать тандемные элементы, где перовскит работает вместе с кремнием: для тандемов важна долговременная стабильность обоих слоёв. В общем, исследование приближает момент, когда перовскитные панели перестанут быть лабораторной игрушкой и появятся на крышах домов и электростанциях.

Авторы демонстрируют впечатляющее улучшение температурного коэффициента — с –0,564 до –0,0575% K⁻¹. Однако в тексте не указано, при каком именно интервале температур измерялся этот коэффициент. Дело в том, что перовскиты могут вести себя нелинейно: при слабом нагреве один наклон, а ближе к критическим температурам (например, к точке фазового перехода) коэффициент может резко ухудшиться. Если измерения проводили только в диапазоне от 25 до 50 °C, то к реальным условиям (60–85 °C на открытом солнце) результаты могут оказаться менее радужными. Кроме того, в исследовании не приведены данные о цикличности нагрева и охлаждения. В реальной жизни солнце то светит, то заходит за облака, и элемент испытывает многократные термоциклы. Именно от них часто трескаются покрытия и отслаиваются слои. Устойчивость к монотонному нагреву — хорошо, но термоциклирование — отдельный вид испытаний. Без этих данных говорить о коммерческой готовности технологии рановато.

Ранее ученые увеличили срок службы перовскитных элементов.