Российские исследователи из нескольких научных центров, проведя комплексное исследование перовскитных полупроводников, обнаружили, что частичная замена свинца на германий существенно улучшает свойства материала. Это исключительно важно для разработки солнечных элементов будущего, в том числе батарей для небольших космических аппаратов. В научном журнале Journal of Alloys and Compounds опубликована статья, где подробно описан механизм изменения электронной структуры и морфологии кристаллических пленок.
Путь к стабильности и радиационной стойкости
Изначально перовскит — это редкий минерал титанат кальция с формулой CaTiO3, открытый в 1839 году на Урале и названный в честь государственного деятеля Льва Перовского. Характерной особенностью перовскита стала его псевдокубическая структура. В XX веке химики научились синтезировать перовскитоподобные соединения, у которых на месте кислорода могли быть галогены и другие элементы. Во второй половине столетия у перовскитов были выявлены уникальные полупроводниковые «способности».
Синтетические перовскиты перспективны, как материалы для фотовольтаики благодаря высокой эффективности и низкой стоимости производства, но их широкое применение сдерживает низкая стабильность и токсичность входящих в них металлов, например, свинца. Исследователи изучили, как внедрение германия в кристаллическую решетку перовскита влияет на его физические свойства. Они обнаружили, что германий меняет валентность 2+ на 4+, легко окисляется в структуре, создавая встроенный механизм легирования p-типа и способствуя тонкой настройке электронных свойств материала.
Авторы показали, что при концентрациях до 5% германий равномерно входит в решетку, а при больших — образует защитный слой на поверхности кристаллитов. Это приводит к пассивированию дефектов и уменьшению рекомбинационных потерь, повышая фотостабильность и сопротивляемость радиационному воздействию. Такая устойчивость крайне важна для солнечных элементов, которые должны работать в экстремальных условиях космоса. Недавний сильнейший радиационный шторм перед магнитной бурей 20 января показал что с космическим ионизирующим излучением не шутят.
Перспективы и внешний контекст
Идея применения перовскитов в космических условиях не нова. По данным проекта German Energy Solutions, гибридные перовскитные и органические солнечные элементы уже тестировались на космических кораблях, где показали высокий удельный выход энергии на грамм по сравнению с кремниевыми аналогами, даже при слабой освещенности элементов.
Кроме того, немецкие и международные исследовательские группы достигли заметного прогресса в эффективности перовскитных солнечных элементов. Так, тандемные элементы на основе перовскитов и селенида меди-индия-галлия (CIGS, copper-indium-gallium selenide) достигли эффективности порядка 24,6 %, а перовскитно-кремниевые конструкции уже преодолевали отметку 30% в лабораторных условиях, что делает их конкурентоспособными по отношению к чисто кремниевым элементам.
О перспективах применения перовскитов в «земных» солнечных батареях мы рассказали здесь.-
