В современном мире, где энергопотребление растет, ученые ищут новые способы получать энергию эффективнее и экологичнее.

Одно из самых перспективных направлений — материалы под названием перовскиты Руддлесдена-Поппера.

Они состоят из чередующихся слоев: неорганических (как в камнях) и органических (как в пластике).

Такая структура делает их идеальными кандидатами для солнечных панелей, светодиодов и систем хранения тепла.

Недавно команда химиков из Университета Юты под руководством аспиранта Перри Мартина и профессора Коннора Бишака изучила, как перовскиты меняют свои свойства при нагревании. Оказалось, что у них есть несколько «твердых» состояний — как у льда, который может превращаться в воду, а та — в пар. Но в случае перовскитов переходы между фазами влияют на то, как материал светится.

Результаты опубликованы в издании Matter.

Представьте себе жирные цепочки молекул, которые при нагревании «плавятся» и становятся менее упорядоченными, — объясняет Бишак. — Это меняет структуру неорганических слоев, а значит, и то, как материал излучает свет. Мы можем настраивать длину волны от ультрафиолета до инфракрасного диапазона.

Эта особенность открывает огромные возможности. Например, в системах хранения тепла перовскиты можно «программировать» под конкретные температуры, и они почти не изнашиваются при многократных циклах нагрева-охлаждения.

Но главный козырь — солнечные батареи. Кремний, который сейчас используют повсеместно, дорог в производстве, а его поставки нестабильны. Перовскиты же можно буквально печатать, как чернилами: растворить компоненты в жидкости и нанести тонким слоем. КПД таких элементов выше, чем у кремниевых, а старые панели можно усовершенствовать, добавив перовскитное покрытие.

Спрос на чистую энергию растет, и перовскиты — один из самых гибких вариантов. Их легко настраивать, они дешевле в производстве и совместимы с существующими технологиями.

Это исследование дает два ключевых преимущества:

• Контроль свойств «на лету». Если научиться управлять фазовыми переходами, можно создавать материалы, которые меняют эффективность в зависимости от температуры — например, днем работают как солнечная панель, а ночью как аккумулятор тепла.
• Удешевление технологий. Печатные методы производства сократят стоимость солнечных батарей, а возможность модернизации старых кремниевых панелей ускорит переход на зеленую энергию.

Фазовый переход — резкое изменение состояния вещества (например, лед → вода) или его внутренней структуры. У перовскитов таких переходов несколько: при нагревании их органические слои «тают», а неорганические перестраиваются, что меняет свойства материала.

Отметим, что исследование не учитывает долговременную стабильность перовскитов в реальных условиях. В лаборатории они выдерживают циклы нагрева, но на открытом воздухе могут деградировать из-за влаги или ультрафиолета. Пока нет данных, как материал поведет себя через 5–10 лет эксплуатации.

Ранее ученые поставили рекорд эффективности перовскитных светодиодов.