Перовскитные субэлементы в составе каскадных фотоэлектрических преобразователей для применения в условиях космоса

Недавнее открытие нового поколения материалов для солнечной энергетики – галогенидных перовскитов – во многом изменило картину текущих и прогнозируемых научно-технических исследований в области фотовольтаики. Перовскитные солнечные элементы (ПСЭ) имеют высокие шансы на переход к практическому использованию уже в обозримом будущем, в частности, в силу достижения значений КПД до 26.7%, а для тандемных фотоэлементов “перовскит / Si” – до 34.6%, что существенно превосходит рекордный КПД для доминирующего на рынке монокристаллического кремния (27.3%). Только в КНР в настоящее время зарегистрировано более 100 компаний, занимающихся производством перовскитных солнечных модулей и разработкой оборудования для их создания. На выставке SNEC-2024, проходившей в июле 2024 года в Китае китайские компании GCL, UtmoLight, Microquanta Semiconductors, Renshine Solar, Wonder Solar и Nuclear Solar представили пилотные промышленные образцы своей продукции и заявили о планах запуска производственных мощностей объемом до ГВТ в год в период 2025-2026 годов. Беспрецедентно высокая мощность, нормированная на единицу массы (до более чем в 10 раз выше существующих промышленных аналогов), и стойкость ПСЭ к радиации также делают их крайне перспективным компонентом каскадных фотоэлементов для космических применений. Как и для основной современной «космической» технологии – каскадных фотоэлектрических преобразователей на основе А3В5 полупроводников – шириной запрещённой зоны галогенидных перовскитов можно управлять в широких пределах при создании твердых растворов, что позволяет создавать эффективные каскадные фотоэлементы. При этом производство ПСЭ оценивается (и это подтверждается информацией указанных выше компаний) как более дешёвое в сравнении не только с А3В5, но и с кремнием. Ключевыми научно-технологическими задачами в области создания ПСЭ являются дальнейшее повышение КПД, улучшение их операционной стабильности и увеличение площади модулей без существенного ухудшения их приборных характеристик. Целью данного проекта является разработка лабораторных технологий создания тандемных солнечных элементов «перовскит / Si», «перовскит / Ge» и трёхкаскадных фотоэлементов «перовскит / GaAs / Ge» для их последующего применения в искусственных спутниках Земли. Литературные данные по данному классу устройств являются фрагментарными в сравнении с чрезвычайно активно разрабатываемыми «наземными» ПСЭ, в то время как экспериментальных работ, посвящённых созданию тандемов «перовскит / Ge» и «перовскит / GaAs / Ge» либо нет, либо крайне мало. К фотоэлементам, предназначенным для использования на орбите Земли, предъявляется ряд более строгих и специфичных требований, в частности, эффективное преобразование излучения спектра AM0, стойкость к ультрафиолету, стойкость к ионизирующему излучению и термоциклированию в широком диапазоне температур в вакууме. Для решения задач данного проекта будут объединены (1) научные компетенции мирового уровня коллектива МГУ (факультет Наук о материалах и НИИ Ядерной физики МГУ) в области химии и технологии создания перовскитных солнечных элементов (в том числе, «двухсторонних», применимых для создания тандемов), физико-химической характеризации материалов и оптоэлектронных устройств, методах вычислительной химии и в тестировании радиационной стабильности материалов; и (2) уникальный научный и инженерно-технологический потенциал предприятия АО «Сатурн» (г. Краснодар), которое разрабатывает и серийно производит для космических применений однопереходные солнечные элементы на основе кремния, а также единственное в России ведет разработку и серийное производство космических каскадных фотоэлементов «GaInP / GaAs / Ge», демонстрирующих КПД на уровне лучших мировых аналогов (до 30%). Результаты проекта имеют высокий потенциал прямого внедрения в производство для усовершенствования стратегически важного продукта, выпускаемого предприятием-соисполнителем проекта – солнечных батарей для искусственных спутников Земли.