Перовськітні сонячні елементи вже кілька років поспіль називають «технологією майбутнього, яка майже готова». У лабораторіях вони демонструють вражаючі результати — ефективність перетворення сонячного світла на електроенергію перевищує 26%, що ставить їх в один ряд із найкращими кремнієвими панелями. До того ж такі елементи тонкі, легкі й значно дешевші у виробництві, адже їх можна буквально «друкувати» з рідких розчинів при низьких температурах.
Та є проблема, яка роками заважає вивести цю технологію за межі лабораторій. Перовськіти швидко руйнуються. Причина — кисень, який, потрапивши всередину елемента, поступово знищує кристалічну структуру матеріалу. Без вирішення цього питання про довговічні сонячні панелі годі й мріяти. І ось тепер дослідники запропонували несподіване рішення, натхненне… морською біологією.
Кисень — прихований ворог перовськітів
Коли сонячне світло потрапляє на перовськітний шар, у ньому виникають енергійні електрони. Вони можуть взаємодіяти з молекулами кисню, утворюючи так звані супероксидні радикали — надзвичайно агресивні хімічні сполуки. Саме вони «розривають» органічні компоненти, що утримують кристал перовськіту разом.
Найчастіше руйнування починається не на поверхні, а всередині елемента — на прихованій межі між перовськітом і шаром діоксиду олова, який відповідає за відведення електронів у зовнішнє коло. Навіть герметизація не завжди рятує, адже багато перовськітних елементів виготовляють на повітрі, і кисень виявляється «замкненим» усередині ще на етапі виробництва. До того ж сам діоксид олова містить дефекти, пов’язані з киснем, які з часом лише погіршують ситуацію.
Захист із глибин океану
Щоб зупинити цей процес, вчені з Інституту науки і технологій Тегу–Кьонбук та Корейського інституту науки і технологій звернулися до таурину — амінокислоти, відомої своїми антиоксидантними властивостями. У природі таурин відіграє важливу роль у захисті тканин, зокрема у восьминогів та кальмарів.
Дослідники розмістили надтонкий шар таурину саме в найвразливішому місці — між перовськітом і діоксидом олова. Виявилося, що ця молекула запускає ефективний двоетапний захисний механізм.
Спочатку таурин «ловить» супероксидні радикали завдяки своїй особливій структурі, яка має і позитивний, і негативний заряд. Далі він перетворює ці радикали на значно менш шкідливий перекис водню. Але й на цьому захист не закінчується: таурин перешкоджає утворенню сполук йоду, які зазвичай прискорюють подальше руйнування перовськіту. Ба більше — у процесі хімічних реакцій молекула таурину відновлюється і може працювати знову й знову, не «витрачаючись».
Результати, які говорять самі за себе
Мікроскопічні дослідження показали разючу різницю. У звичайних елементах після опромінення з’являлися порожнини й сліди окиснення, тоді як зразки з таурином залишалися практично неушкодженими. Під дією жорсткого ультрафіолету та озону захищені плівки зберігали у сім разів більше своєї початкової структури.
Покращилися й електричні характеристики. Зменшилася кількість дефектів, які «ловлять» заряд, зросла рухливість електронів, а час життя носіїв заряду майже подвоївся. Найкращий зразок досяг ефективності 24,8% із високими показниками напруги та заповнення.
Крок до реального застосування
Дослідження чітко показує: однієї лише герметизації замало. Якщо не контролювати хімічні процеси всередині елемента, кисень все одно знайде спосіб його зруйнувати. Таурин продемонстрував, що проблему можна вирішити на молекулярному рівні.
Захищені елементи зберігали 80% початкової ефективності після 130 годин роботи на повітрі — у кілька разів довше, ніж звичайні. А при температурі 65 °C вони майже не втрачали продуктивності навіть після сотень годин.
Попереду ще багато викликів: перовськітні панелі мають працювати роками, а не місяцями, і масштабне виробництво принесе нові труднощі. Проте сам підхід — використання «самовідновлювальних» антиоксидантних шарів — може стати ключем до перетворення перовськітів із лабораторної сенсації на повноцінну технологію чистої енергетики.
Результати дослідження опубліковані в журналі Advanced Energy Materials.