Исследователи из Гонконгского университета науки и технологий вместе с коллегами подготовили обзор. Он вышел в журнале Frontiers of Chemical Science and Engineering.

Чтобы вы понимали, о чем речь: перовскиты на основе металлов и галогенов — это очень многообещающие полупроводники для солнечной энергетики. Современные перовскитные солнечные элементы уже выдают эффективность выше 27 процентов. Для сравнения, это сопоставимо с лучшими кремниевыми панелями. Но проблема в том, что мы пока плохо понимаем, как именно устроен этот материал и как его свойства зависят от структуры. Внутри перовскита скрыто множество микродефектов в разных масштабах — от нано до микро, и их влияние почти не изучено. Ученые поставили цель: перейти от простого наблюдения за этими микроструктурными нарушениями к умению ими управлять. Авторы разобрали, какие бывают скрытые дефекты, как они возникают и как влияют на долговечность и механическую надежность перовскитных элементов.

Оказалось, что главные проблемы прячутся на границах зерен (то есть между отдельными кристалликами) и внутри самих кристаллов. На границах исследователи обнаружили микроскопические канавки, нано-ловушки в виде бороздок и вогнутые участки. Все эти неровности мешают току спокойно протекать, заставляют ионы бродить по материалу не туда, куда надо, и ослабляют механическую прочность пленки. Внутри кристаллов тоже есть свои сюрпризы: дислокации, дефекты упаковки и нанокластеры. У них двойственная природа. С одной стороны, они помогают снимать внутреннее напряжение, как амортизаторы. С другой — из-за них материал работает неравномерно: одни участки выдают отличные результаты, другие — провальные.

Границы зерен — это места, где встречаются отдельные кристаллики (зерна) в пленке перовскита. Представьте, что вы высыпали на стол гору мелкого песка. Каждая песчинка — это зерно. А щели и линии соприкосновения между ними — это границы зерен. В идеальном материале эти границы плотные, чистые и не мешают движению электрического тока. Но в реальном перовските на границах часто скапливаются примеси, образуются микроскопические канавки и пустоты. Через такие границы ток течет хуже, ионы уходят вбок, а механическая прочность падает. Понимать природу границ зерен критически важно, потому что именно через них в перовскит попадает влага и кислород, которые убивают батарею. Управляя границами зерен, вы управляете долголетием солнечного элемента.

Что с этим делать? Чтобы победить беспорядок, ученые предлагают несколько подходов. Например, подстраивать энергию на границах зерен с помощью специальных присадок. Среди них — молекулы под названием i-BACl, BAAc и TFSAP. Они работают как смазка или клей для кристаллов. Второй способ — залечивать дефекты прямо во время работы, используя слабые дозы облучения или нагрева. Такая «терапия» запускает движение атомов, и они сами заполняют пустоты. Результаты впечатляют: элементы сохраняют более 90 процентов своей начальной эффективности в течение 1000–1500 часов работы. А главное — они становятся механически надежными, не ломаются при изгибе или нагреве.

Сколько это стоит? Пока технология относительно дорогая, но не запретительно. Лабораторные добавки стоят копейки, однако их массовое производство только отлаживается. Гораздо дороже оборудование для точного наблюдения за дефектами — просвечивающие электронные микроскопы и синхротронные установки. Доступность для обычных лабораторов пока низкая. Но сам подход с ингредиентами дешевый, так что через пару лет рецептами смогут пользоваться даже небольшие стартапы.

А что было раньше? До этой работы ученые в основном боролись с крупными дефектами: дырками, трещинами, неровными пленками. А точечные нарушения — те самые канавки и дислокации — считались неизбежным злом. Этот обзор — не прорыв, а скорее маленький, но твердый шажок вперед. Он впервые собрал воедино разрозненные данные о микроскопическом беспорядке и предложил язык для его описания. Революции нет, но направление задано четкое.

Насколько это этично и нет ли вреда? Само исследование абсолютно этично — никто не травит животных, не использует токсичные вещества в опасных дозах. Правда, в производстве перовскитов часто используют свинец. Это плохо для экологии и для человека, если панели разобьются. Авторы обзора этот вопрос обходят стороной, а зря. В будущих версиях эту проблему придется решать либо безсвинцовыми рецептами, либо надежной герметизацией.

Испытать на себе — то есть купить солнечную панель с такими внутренне-управляемыми дефектами — получится не раньше чем через три-пять лет. Пока это лабораторная культура. А пощупать в прямом смысле — никак, дефекты размером в нанометры. Но если вы протестируете батарейку в своем калькуляторе, то просто не заметите разницы — для вас она будет выглядеть как обычная, только дольше проживет.

А как у других? Аналоги — это кремниевые солнечные панели и гибкие органические батареи. Кремний гораздо более упорядочен, у него почти нет такого «микробеспорядка». Но он хрупкий и тяжелый. Органика — легкая и гибкая, но быстро стареет. Перовскит с новым подходом обещает быть гибким, как органика, и почти таким же эффективным, как кремний. Главный плюс перед аналогами — он учится самовосстанавливаться от слабых стимулов. А главный минус — все еще нестабилен в реальной погоде.

Теперь критика: есть ли подвох? Главный подвох — в двойственной природе некоторых дефектов. Авторы пишут, что дислокации могут помогать снимать напряжение. Но как отличить «полезную» дислокацию от „вредной“? Пока никак. Вы не можете управлять этими дефектами выборочно: если начнете их залечивать — уберете и те, которые помогали гибкости. Получается, предлагаемые стратегии работают как кувалда, а не как скальпель. Исследователи сами признают это косвенно, когда пишут о „гетерогенности“ — неоднородности свойств. Значит, в одном и том же кристалле одни и те же дефекты одновременно и помогают, и мешают. Это фундаментальное противоречие, которое авторы не решают, а только констатируют.

Ранее ученые сумели продлить жизнь перовскитным солнечным батареям.