О том, что на смену кремнию в солнечных панелях может прийти перовскит, как материал не менее эффективный, но более дешёвый и экологически безопасный, говорится уже несколько лет. Почему же технология не шагнула за пределы лабораторий? Проблема в том, что перовскиты в том состоянии, когда способны преобразовывать солнечную энергию в электрическую, нестабильны. Решение предлагают учёные Стэнфорда, представители университета (Stanford University) и сотрудники национальной ускорительной лаборатории SLAC (Department of Energy’s SLAC National Accelerator Laboratory).
Эксперименты показали, что перовскит становится стабильным после удара. Разумеется, бить надо сильно, а материал нагревать — для этого использовалась алмазная наковальня, устройство, способное создавать экстремально высокое давление на небольшой площади. Результат — пригодный для использования в солнечной энергетике материал, стабильный при комнатной температуре и нормальной влажности.
О результатах работы научная группа сообщает в опубликованной в Nature Communications статье.
«Это первое исследование, которое использует давление для контроля стабильности, и оно действительно открывает много возможностей, — говорит Юй Линь (Yu Lin), сотрудница SLAC и Стэнфордского института материаловедения и энергетики (SIMES). — Теперь, когда мы нашли этот оптимальный способ подготовки материала, появляется потенциал его масштабирования для промышленного производства и использования этого же подхода для манипулирования другими фазами перовскита».
Перовскиты как группа веществ получили название от природного минерала со схожей атомной структурой. В данном случае изучался галогенид свинца (CsPbI3) — перовскит, представляющий собой комбинацию йода, свинца и цезия.
Одно из состояний этого материала, известное как жёлтая фаза, не образует настоящей перовскитной структуры и не может быть использована в солнечных элементах. Некоторое время назад обнаружилось, что при определённой обработке жёлтая фаза переходит в чёрную перовскитовую фазу, которая вполне эффективно преобразует солнечный свет в электричество. «Это сделало материал очень востребованным и он попал в центр многих исследований», — замечает профессор Стэнфорда и соавтор исследования Венди Мао (Wendy Mao).
К сожалению, такая чёрная фаза структурно нестабильна и быстро возвращается к бесполезной для нас конфигурации. Кроме того, замечает Мао, она работает с высокой эффективностью только при высоких температурах. Исследователям надо преодолеть обе эти проблемы, прежде чем перовскитовые панели можно будет использовать на практике.
Ранее предпринимались попытки стабилизировать чёрные фазы перовскитов с помощью химии, деформации или температуры. Результаты были, но только в свободной от влаги среде, что не отражает реальности, в которой работают солнечные элементы. Теперь же результатом стал материал, стабильный в среде, более приближенной к природным условиям.
Стабильная чёрная фаза достигается нагревом перовскита до 450°C под давлением (1000 — 6000 атмосфер), и последующего быстрого охлаждения. Чёрные кристаллы сохраняют форму до тридцати дней при комнатной температуре и относительной влажности воздуха 35%.