Из музея — в лабораторию: как уральский минерал изменил представление о солнечной энергетике

Минерал, найденный на Урале два века назад, оказался главным кандидатом на роль материала будущего в солнечной энергетике. Объясняем, чем он привлек ученых и как может превратить окна домов и экраны смартфонов в источники электричества.

Минерал родом с Урала

В 1830-е годы петербургский геолог Александр Кеммерер, путешествуя по Уралу, заметил необычные темные кристаллы почти идеальной кубической формы. Находку отправили на исследование в Берлин — немецкому ученому Густаву Розе. Он подтвердил, что это ранее неизвестный минерал, и предложил назвать его в честь русского государственного деятеля Льва Перовского — покровителя науки и страстного коллекционера минералов.

В XIX веке перовскит — он же титанат кальция — оставался музейной диковинкой и интересовал исключительно геологов. Его ценили за редкость: кристаллы находили лишь в нескольких местах — на Урале, в Альпах и Финляндии. Загадочный минерал пополнял музейные коллекции и частные собрания, а вот его физические свойства почти не изучались. Электричество тогда только начинали исследовать, а о солнечной энергетике никто и не думал.

Из музея — в лабораторию

Лишь в середине XX века ученых привлекло особое строение перовскита. Его атомы образуют устойчивую решетку, которая хорошо взаимодействует со светом и позволяет заряду легко перемещаться внутри кристалла. Позже исследователи научились клонировать эту структуру — воспроизводить ее в синтетических перовскитоподобных материалах.

Со временем специалисты выделили целый класс таких соединений. Особенно интересными оказались галогенидные перовскиты — материалы, в которых место кислорода в кристаллической решетке занимают галогены, прежде всего йод. Сегодня именно они считаются наиболее перспективными для солнечной энергетики.

Этот тип соединений был известен ученым еще с 1950-х годов. В 1990-е ими заинтересовались инженеры компании IBM, изучавшие перовскитоподобные материалы для оптоэлектронных устройств. Однако тогда перовскиты не показали заметных преимуществ перед кремнием, и интерес к ним на время угас.

Гибкая альтернатива кремнию

Сегодня перовскиты рассматривают как альтернативу кремнию — основному материалу для производства солнечных батарей. Кремниевые элементы надежны и эффективны, но их изготовление требует большого расхода энергии: кремний очищают, плавят, выращивают крупные кристаллы, а затем разрезают их на тонкие пластины. Это делает производство дорогим, а сами панели — жесткими.

Перовскиты предлагают другой подход. Их активный слой получают из растворов и наносят на подложку слой за слоем. Затем структуру обрабатывают лазером — в итоге получается солнечная панель толщиной всего несколько микрон, тонкая и легкая. Именно поэтому к технологии проявляет интерес космическая отрасль, где каждый лишний грамм нагрузки буквально на вес золота.

Развитие технологии сдерживают две проблемы — нестабильность самих материалов и сложности промышленного производства. Перовскиты — довольно нежные соединения: они разрушаются под действием света, тепла, влаги и кислорода. Получается парадокс — условия, в которых должна работать солнечная батарея, ускоряют разрушение материала. Кроме того, ученые пока не научились делать перовскитные слои идеально однородными, а микроскопические дефекты заметно снижают эффективность устройств. Поэтому специалисты ищут более устойчивые составы перовскитов и способы защитить материал от влаги и кислорода.

Перспективным решением стали так называемые тандемные элементы — по сути сэндвич из двух солнечных панелей в одной. В такой конструкции перовскитный слой наносят поверх кремниевого: кремний обеспечивает стабильность и долговечность устройства, а перовскит помогает улавливать больше солнечного света.

В гаджеты, машины и на крыши

Уже сегодня перовскитные технологии показывают впечатляющие результаты. В 2023 году в Университете науки и технологий МИСИС создали перовскитный фотоэлемент с коэффициентом полезного действия свыше 36%. Это означает, что более трети энергии света он способен превращать в электричество. Для сравнения: у большинства коммерческих кремниевых панелей этот показатель составляет около 20%. Причем такой элемент эффективно работает как при естественном, так и при искусственном освещении.

«Перовскиты открывают перед солнечной энергетикой множество возможностей: это и создание энергоэффективной тонировки для окон, и интеграция в гаджеты, которые мы носим при себе, и покрытие легкими гибкими солнечными панелями крыш и фасадов домов, и многое другое», — рассказывает Данила Саранин.

Эксперт добавил, что даже если все надежды на уральский минерал оправдаются, солнечная генерация все равно не станет самодостаточной. В солнце нельзя подкинуть дров, когда надо. Для глобального запасания энергии из света нужны сложные и дорогие системы хранения и распределения. При этом эффективность совместной работы традиционного топливно-энергетического комплекса и возобновляемых источников может стать значительно выше с развитием перовскитных технологий.