Разработка новых электрон-транспортных слоев для повышения эффективности и стабильности перовскитных солнечных батарей

Солнечная энергетика является экспоненциально растущей индустрией, на которую приходится около 5,4% общего мирового производства электроэнергии [World Energy Outlook 2024 (International Energy Agency), https://iea.blob.core.windows.net/assets/fb481b31-df88-4f2c-a435-c8b075e992be/WorldEnergyOutlook2024.pdf]. Будучи крупнейшей страной, Россия обладает огромным потенциалом в области солнечной энергетики, который остается нереализованным. Перовскитные солнечные батареи на основе комплексных галогенидов свинца выглядят наиболее перспективными среди всех «развивающихся» фотоэлектрических технологий. Во-первых, они показывают самый быстрый рост эффективности преобразования света со временем. Сейчас лучшие лабораторные образцы перовскитных солнечных элементов показывают сертифицированные к.п.д. более 26%, что близко к характеристикам солнечных элементов на основе кристаллического кремния (26.7%) [M. Green et al. Prog Photovolt Res Appl. 2025, 33, 1]. Вдобавок, перовскитные солнечные элементы обладают высокой толерантностью к дефектам и загрязнениям, что дает возможность их производства из дешевых материалов без обязательной тщательной очистки, как в случае кремния и других аналогов. Также перовскитные солнечные панели могут быть созданы низкотемпературными растворными методами, что делает их перспективными для крупномасштабного изготовления с применением экономичных и скоростных рулонных технологий. Таким образом, солнечные батареи на основе комплексных галогенидов свинца и кристаллического кремния близки по эффективности, тогда как стоимость фотоэлектрических панелей на основе перовскитных материалов может быть существенно ниже: вероятно, более чем на 33%, согласно недавней оценке [P. Zhu et al. Adv. Mater. 2024, 36, 2307357]. Учитывая, что стоимость кремниевых солнечных панелей уже достаточно низка, ключевой задачей на данный момент является увеличение эффективности преобразования света. Это необходимо для дальнейшего удешевления производства электроэнергии. В связи с этим, активно проводятся исследования по интеграции ячеек на основе кристаллического кремния и комплексных галогенидов свинца в тандемные структуры, которые в настоящее время достигают эффективности более 29%. Таким образом, не вызывает сомнений, что перовскитные фотовольтаические преобразователи обладают большим потенциалом и в будущем могут оказать существенное влияние на мировую энергетику. Критическим фактором, ограничивающим коммерциализацию перовскитных солнечных элементов, является их низкая эксплуатационная стабильность. Исполнители данного проекта впервые показали, что комплексные йодиды свинца разлагаются под действием света [A. F. Akbulatov et al. J. Phys. Chem. Lett. 2017, 8, 1211]. Тем не менее, мы также установили [A. F. Akbulatov et al. J. Phys. Chem. Lett., 2020, 11, 1, 333], что большинство реакций разложения комплексных галогенидов свинца являются обратимыми. Следовательно, в темноте перовскитный материал может восстанавливаться, если мы предотвратим потерю всех летучих компонентов из активного слоя устройства. Эта проблема может быть в значительной степени решена оптимизацией других компонентов устройства, например, за счет разработки смежных электрон-транспортных слоев (ETL) с улучшенными электрическими и физико-химическими характеристиками, в том числе способностью эффективно инкапсулировать фотоактивный перовскитный слой и подавлять его деградацию [A. G. Boldyreva et al. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 16, 19161]. Основной целью данного проекта является разработка принципов и методов рационального дизайна новых электрон-транспортных материалов с заданными свойствами, способных существенно увеличить срок службы перовскитных солнечных элементов, что необходимо для коммерциализации этой технологии.