Добавили валериановую кислоту — и печатные батареи выдержали термотесты: стабилизация оказалась мощнее ожидаемого

Российские исследователи предложили технологию, приближающую массовый выпуск печатных солнечных батарей нового поколения. Команда научных центров НИТУ МИСИС, ИТМО и ИОНХ РАН дополнила проводящий слой химическим соединением на основе валериановой кислоты. Добавка укрепила структуру перовскитной плёнки, сделав элементы устойчивее к воздействию влаги, кислорода и температурных перепадов. Одновременно улучшились фотоэлектрические характеристики, что приблизило материалы к практическому внедрению.

Перовскитные солнечные элементы третьего поколения считаются одним из наиболее перспективных направлений в фотоэнергетике. Их эффективность сопоставима с кремниевыми аналогами, а широкий диапазон поглощения света обеспечивает работоспособность даже при низкой освещённости. Такие условия характерны для регионов с длинным осенне-зимним сезоном, что делает новую технологию особенно значимой для России.

Несмотря на потенциал, перовскитные материалы чувствительны к окружающей среде. На границах зёрен могут формироваться дефекты, через которые возникают токовые утечки, а время отклика устройства увеличивается. Внешние и внутренние химические процессы постепенно разрушают структуру слоёв, ограничивая срок службы батарей.

Новая методика стабилизации направлена на компенсацию активных состояний йода, свинца и азота в условиях постоянной влажности и кислорода. Исследователи использовали ультратонкий слоистый перовскит, формирующий защитную прослойку. Он ограничивает миграцию ионов и улучшает контакт между слоями, повышая общую производительность солнечного модуля.

Повышение стабильности и ресурс работы батарей

Предложенный подход позволил существенно улучшить устойчивость материалов при термоциклировании. По результатам испытаний срок надёжной работы увеличился примерно в два раза. Защитная прослойка предотвращала окислительные процессы и снижала вероятность разрушения структуры под воздействием переменных температур.

Научная команда отмечает, что улучшение характеристик стало возможным благодаря молекулярной стабилизации материала. В ходе экспериментов удалось предотвратить разложение соединений до иодида свинца, а также ограничить транспорт ионов к металлическому электроду. Это сохранило стабильность фотоактивного слоя и замедлило окисление контактных элементов в многослойных структурах.

"Мы создали более устойчивые многослойные материалы на основе перовскита, состоящего из формамединиума свинца и йода, добавив к нему специально синтезированный гибридный органо-неорганический квази-2D перовскит на основе валериановой кислоты. Он сдерживает разложение молекул до иодида свинца PbI2, подавляя миграцию ионов к металлическому электроду в фотоактивном слое, что делает структуру материала стабильнее. Подавив окисление катиона, мы замедлили процесс оксидации металлических контактов в многослойных структурах, имитирующих перовскитный солнечный элемент", — рассказывает инженер научного проекта лаборатории перспективной солнечной энергетики НИТУ МИСИС Лев Лучников.

Следующие испытания показали значительную разницу между модифицированными элементами и контрольной группой.

"Мы установили, что солнечные элементы с модифицированными слоями перовскита сохраняют более 90% эффективности спустя 1000 часов работы, тогда как эффективность контрольных образцов снижалась за это время до 70 %", — отметил профессор физического факультета Университета ИТМО Евгений Теруков.

Повышенная стабильность указывает на возможность практического применения в регионах с переменчивым климатом, где солнечные модули испытывают значительные нагрузки.

Возможности масштабирования и внедрения в производство

Созданная технология стала отправной точкой для адаптации перовскитных структур к промышленным условиям. Малая толщина поглощающего слоя делает возможным производство тонкоплёночных модулей с использованием недорогих методов нанесения. Такие структуры могут быть размещены на фасадах зданий, крышах, оконных поверхностях и даже на ограждениях балконов. Гибкость материалов открывает путь к интеграции солнечных элементов в элементы городской инфраструктуры.

Команда разработчиков подчёркивает, что предложенный способ легко встраивается в цикл печати перовскитных батарей. Отсутствие необходимости в сложной перестройке технологической цепочки делает решение перспективным для масштабируемых панелей. Это приближает переход к массовому производству солнечных модулей нового поколения.

Значение разработки выходит за рамки одного проекта. Она стала частью стратегического направления НИТУ МИСИС в области материаловедения.

"Новый метод повышения стабильности перовскитных солнечных элементов достаточно просто внедряется в цикл печати перовскитных солнечных батарей, что делает его перспективным для масштабирования в панелях и модулях. Эту и подобные технологии мы успешно отрабатываем в рамках стратегического технологического проекта НИТУ МИСИС "Энергия материалов" по программе Минобрнауки России "Приоритет-2030"", — добавил д. т.н. Данила Саранин, заведующий лабораторией перспективной солнечной энергетики НИТУ МИСИС.

Перспективы развития гибких солнечных технологий

Работа российских исследователей расширяет возможности применения тонкоплёночных фотоактивных материалов. Высокая устойчивость, улучшенная экология производства и относительная простота изготовления делают перовскитные батареи привлекательными для широкого круга решений — от бытовых установок до крупномасштабных систем энергосбережения.

В перспективе аналогичные методы могут быть использованы для создания гибких, лёгких модулей, способных работать в условиях слабой освещённости. Это открывает путь к развитию распределённой энергетики, снижению нагрузки на централизованные сети и увеличению доли возобновляемых источников энергии.

Исследование, поддержанное грантом РНФ № 24-62-00022 и опубликованное в Applied Surface Science, стало важным шагом к тому, чтобы перовскитные солнечные элементы заняли стабильное место в будущей энергетике. Успешная стабилизация структуры материала подтверждает, что печатные солнечные батареи способны стать массовым и надёжным решением, адаптированным к разнообразным климатическим условиям.