Сегодня более 85% солнечных панелей основаны на кремнии. Технология их изготовления довольно сложна, требует много энергии и наносит ущерб окружающей среде. Одна из перспективных альтернатив привычной технологии — перовскитные солнечные элементы, представляющие особую ценность для освоения космоса.

В России этими материалами уже несколько лет занимается команда ученых из Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН и Уральского федерального университета.

Эффективность перовскитных солнечных элементов сегодня превысила 26%: по этому показателю они вплотную приблизились к кремниевым. Их производство дешевле и экологичнее. Но приступить к массовому внедрению таких панелей на Земле мешает существенный недостаток: эти материалы довольно быстро теряют свойства под воздействием света, кислорода и длительного нагрева. Деградация перовскитных солнечных панелей — сложная тема, представляющая собой отдельную область исследований. В то же время солнечные элементы из перовскита более стойки к ионизирующему излучению, чем панели из привычных материалов.

Важная черта перовскитных солнечных элементов, делающая их перспективным материалом для космических полетов, — бóльшая удельная мощность в сравнении с традиционными технологиями.

«Перовскитные панели намного дешевле и проще в изготовлении, чем кремниевые. Они сопоставимы с элементами из кремния по эффективности преобразования энергии, но вырабатывают в несколько раз больше энергии на 1 г веса. Таким образом, на основе перовскитов можно изготавливать более легкие панели, что существенно влияет на стоимость их вывода на орбиту», — рассказал корреспонденту «Научной России» руководитель российской научной группы от УрФУ, заведующий лабораторией фотовольтаических материалов кандидат физико-математических наук Иван Сергеевич Жидков.

В космическом пространстве среди всех факторов, вызывающих разрушение перовскитных солнечных панелей, ключевое место занимает воздействие света и космических лучей. Кислорода в космосе нет, а перепады температур слишком кратковременные, чтобы нанести материалу ущерб. Поэтому для освоения космоса главным образом нужно повысить фотостабильность перовскитов и довести до оптимального уровня их устойчивость к ионизирующему излучению. Помимо этого, космические перовскитные солнечные панели должны хорошо переносить низкие температуры и сохранять эффективность в течение длительного срока.

На создание таких материалов и нацелены исследования коллектива из Екатеринбурга и Черноголовки. Используя разные подходы, ученые получают гибкие перовскитные солнечные элементы, устойчивые к свету и ионизирующему излучению и обладающие большим сроком службы. В 2025 г. эти работы вошли в число лучших достижений российских ученых за 2024 г., представленных на весеннем общем собрании членов РАН.

«Представлена оригинальная стратегия развития перовскитных полупроводниковых материалов, демонстрирующих высокую эффективность и длительный срок службы в экстремальных условиях воздействия космической среды. Достигнута рекордная радиационная стойкость перовскитных солнечных батарей при высоком коэффициенте полезного действия [преобразования световой энергии] <…>. Эта радиационная стойкость превосходит показатели устройств на основе кремния и арсенида галлия в 10-100 раз. Новая технология важна для развития отечественных телекоммуникационных систем и солнечных электростанций орбитального базирования», — рассказал на общем собрании членов РАН президент академии наук Геннадий Яковлевич Красников.

Исследования, направленные на создание перовскитных солнечных панелей для космоса, сложны и требуют немало ресурсов — финансовых вложений и дорогостоящего оборудования, — в том числе для имитации экстремальных внеземных условий во время испытаний. Работы ученых из Черноголовки и Екатеринбурга — единственные в России в этой области. В мире же подобные проекты реализуются еще в трех странах: США, Японии и Китае. Американцы уже пробуют испытывать экспериментальные солнечные элементы на своем сегменте Международной космической станции. Таким образом, успех российских исследователей может позволить нашей стране одной из первых вывести перовскитные панели в космос.

Небольшая оговорка: перовскиты, применяемые для создания солнечных панелей, — искусственные материалы. Прямого отношения к одноименному минералу перовскиту (титанату кальция CaTiO3) они не имеют, а такое название получили в силу схожей с ним структуры, включающей два катиона (положительно заряженных иона) и один анион (отрицательный ион). Место кислорода-аниона в искусственных перовскитах чаще всего занимает галоген, а заменители катионов — кальция и титана — могут различаться. Например, в случае с отечественной разработкой в роли аниона в том числе используются йод и бром, в качестве второго катиона — свинец.

«Перовскитные солнечные элементы состоят из нескольких слоев толщиной от единиц до нескольких сотен нанометров. Помимо активного перовскитного слоя, где генерируются электроны и дырки, большое значение имеют слои переноса зарядов, способствующие лучшему отводу носителей заряда из перовскитного слоя и уменьшающие рекомбинацию1. На границах слоев переноса зарядов и перовскита также могут вводиться дополнительные слои для улучшения транспорта зарядов. Кроме того, в конструкцию перовскитных солнечных элементов входят два электрода, тоже играющие важную роль, — отметил И.С. Жидков. — Состав конкретного материала может быть разным, вариантов очень много». Ученый добавил, что, так как разработки пока продолжаются, исследователи не раскрывают детального состава своих панелей.

Рекомбинация — в данном контексте исчезновение пары «электрон проводимости — „дырка“» в полупроводнике в случае, когда электрон переходит из зоны проводимости в валентную зону.

Как отечественные исследователи модифицируют перовскитные солнечные элементы для применения в космосе? Один из методов ученые представили в статье в журнале Journal of Materials Chemistry A. за 2024 г. Выяснилось, что повысить фотостабильность и радиационную стойкость перовскитов в полтора-два раза можно за счет добавления в них металла европия. Полученные материалы показали способность работать без значительной деградации под воздействием света в течение двух-трех лет. Этот показатель сравним с фотостабильностью кремниевых панелей. А вот устойчивость к гамма-излучению и потоку электронов у модифицированных перовскитов оказалась намного выше, чем у «традиционных» солнечных элементов: новые панели начинали разрушаться только под воздействием очень больших доз облучения, эквивалентным нахождению на орбите до десяти лет. При этом улучшенные перовскитные солнечные элементы производили в шесть раз больше энергии на 1 г веса, чем кремниевые: 20 Вт против 3 Вт.

«Срок службы панелей в работе указывали при падении эффективности преобразования энергии на 80% от исходной», — пояснил И.С. Жидков.

В конце 2024 г. ученые представили еще один способ улучшить стойкость перовскитов к воздействию излучений — частичную замену ионов свинца Pb2+ на ионы щелочноземельных металлов кальция (Ca2+), стронция (Sr2+) и бария (Ba2+). При этом в материале замещались лишь от 1% до 10% катионов, так как при полной «перестановке» материал теряет эффективность как поглотитель света. А вот замена всего 1% ионов свинца показала отличные результаты, улучшив устойчивость перовскитов к свету и большим дозам ионизирующего излучения. Результаты исследования описаны в статье в журнале Materials Today Energy.

«Лучшие из разработанных образцов смогли успешно перенести высокие дозы гамма-лучей (5,5 млн Гр) и потоки электронов (30 квадрлн/см2). Такие дозы, например, получит космический корабль за 15 лет полета», — приводит пресс-служба УрФУ слова И.С. Жидкова.

Исследования ведутся при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российского научного фонда (проекты № 22-61-00047 и № 22-13-00463). Работами руководит вице-президент РАН Сергей Михайлович Алдошин. Как рассказал И.С. Жидков, изготовлением панелей занимаются ученые ФИЦ ПХФ и МХ РАН, в то время как УрФУ специализируется на испытаниях новых материалов на стойкость к облучению. За лабораторными исследованиями должна последовать проверка на прочность в реальных условиях: когда инновация будет доведена до совершенства, российские перовскитные панели планируется установить на космические спутники для запуска на низкую околоземную орбиту.

Фото на превью и на главной странице: Родион Нарудинов / пресс-служба УрФУ

Фото в тексте: Родион Нарудинов / пресс-служба УрФУ, пресс-служба УрФУ.

Автор:Анастасия Жукова