Стабильные тандемные фотоэлементы: новый перовскит решает проблему фазового разделения

Ученые нашли способ преодолеть ключевое ограничение перовскитных солнечных элементов — фазовое разделение в смешанных галогенидных материалах. Новая технология позволяет создавать гомогенные по фазе перовскиты, которые сохраняют стабильность даже при длительном облучении. Это открытие может стать прорывом в солнечной энергетике, так как решает одну из главных проблем, сдерживающих коммерциализацию перовскитных фотоэлементов. Исследователи из нескольких стран опубликовали результаты работы в престижном журнале Nature в 2026 году, демонстрируя материал, который одновременно эффективен и стабилен.

Гомогенный перовскит: прорыв в стабильности

Группа ученых представила новый класс смешанных галогенидных перовскитов с однородной фазой. В отличие от традиционных материалов, которые под воздействием света разделяются на обогащенные йодом и бромом области, новый перовскит сохраняет равномерное распределение элементов. Это достигается за счет оптимизации состава и методов синтеза, что подтверждено экспериментальными данными. Исследователи использовали комбинацию передовых методов, включая рентгеновскую дифракцию и фотолюминесценцию, чтобы подтвердить гомогенность. Результаты показали, что даже после сотен часов непрерывного облучения материал не демонстрирует признаков фазового разделения, что является значительным улучшением по сравнению с предыдущими разработками.

Предыстория и контекст

Перовскитные солнечные элементы считаются перспективной альтернативой кремниевым благодаря высокой эффективности и низкой стоимости производства. Однако их коммерциализация сдерживается нестабильностью: под действием света в смешанных галогенидных перовскитах происходит фазовое разделение, что снижает производительность. Ранее попытки решить эту проблему были ограничены — стабильность достигалась за счет снижения эффективности. Новая работа впервые демонстрирует одновременно высокую стабильность и эффективность. Это стало возможным благодаря тщательному контролю состава и использованию специальных добавок, которые стабилизируют фазу. Ученые также применили методы машинного обучения для оптимизации параметров синтеза, что позволило ускорить поиск идеального состава.

Как работает гомогенный перовскит?

Ключевое отличие нового материала — отсутствие фазового разделения при освещении. Ученые использовали комбинацию экспериментальных методов, включая рентгеновскую дифракцию и фотолюминесценцию, чтобы подтвердить гомогенность. В стандартных смешанных перовскитах под облучением образуются области с разным содержанием галогенов, что приводит к потерям энергии. Новый материал остается однородным, что обеспечивает стабильный выход энергии. Механизм стабилизации основан на тонкой настройке энергии связи между ионами галогенов и свинца, что предотвращает миграцию ионов и образование кластеров. Это достигается за счет введения небольшого количества органических катионов, которые «сшивают» структуру и препятствуют разделению фаз.

Технические детали и методология

Исследователи синтезировали перовскиты с оптимальным соотношением йода и брома, а также использовали специальные добавки для стабилизации фазы. Эксперименты показали, что даже после сотен часов непрерывного облучения материал не демонстрирует признаков фазового разделения. Эффективность преобразования энергии (PCE) достигла 25.3% для тандемного элемента на основе перовскита и кремния, что сравнимо с лучшими современными образцами, но с гораздо большей стабильностью. Ученые также провели испытания при повышенных температурах (до 85°C) и влажности (до 85%), и материал сохранил свои свойства. Это подтверждает его пригодность для реальных условий эксплуатации. Дополнительно были проведены долгосрочные тесты на открытом воздухе в течение шести месяцев, которые показали минимальную деградацию.

Кого затронет и как

Для производителей солнечных панелей это означает возможность создания тандемных элементов, которые сохраняют эффективность на протяжении всего срока службы. Разработчики перовскитных технологий получат новый стандарт стабильности. Потребители выиграют от более долговечных и эффективных солнечных батарей. В России и СНГ, где активно развивается солнечная энергетика, внедрение таких материалов может ускорить переход к возобновляемым источникам. Кроме того, технология может быть адаптирована для гибких и легких солнечных панелей, что расширит сферу применения — от портативных зарядных устройств до интеграции в строительные материалы. Энергетические компании смогут снизить стоимость киловатт-часа за счет увеличения срока службы панелей и уменьшения необходимости в обслуживании.

Какие проблемы решает новый перовскит для солнечной энергетики?

Главная проблема, которую решает новый материал, — это нестабильность перовскитных фотоэлементов при длительной эксплуатации. Ранее фазовое разделение приводило к постепенному снижению эффективности, что делало коммерциализацию нерентабельной. Новый перовскит устраняет эту проблему, сохраняя однородность состава. Кроме того, материал демонстрирует устойчивость к другим деградационным факторам, таким как влага и кислород, благодаря оптимизированной кристаллической структуре. Это позволяет создавать герметичные модули без сложных и дорогих защитных слоев, что снижает производственные затраты. В перспективе это может сделать солнечную энергию более доступной и конкурентоспособной по сравнению с ископаемыми источниками.

Что будет дальше

Следующий шаг — масштабирование технологии до промышленного производства. Ученые планируют протестировать материал в реальных условиях эксплуатации. Ожидается, что первые коммерческие образцы появятся в течение 3–5 лет. Если технология подтвердит свою надежность, она может стать основой для нового поколения тандемных солнечных элементов. Параллельно ведутся работы по снижению содержания свинца в перовскитах, чтобы сделать их более экологичными. Исследователи также изучают возможность использования данного подхода для других типов перовскитов, например, для полностью неорганических составов. В долгосрочной перспективе это может привести к созданию солнечных элементов с эффективностью более 30% и сроком службы более 20 лет.

Итог

Разработка гомогенных по фазе смешанных галогенидных перовскитов решает одну из главных проблем перовскитной фотовольтаики. Это открытие приближает коммерциализацию стабильных и эффективных тандемных солнечных элементов, что может значительно ускорить переход к чистой энергетике. Благодаря сочетанию высокой эффективности (25.3%) и долговременной стабильности, новый материал может стать стандартом для будущих солнечных батарей. Дальнейшие исследования и масштабирование технологии позволят сделать ее доступной для массового рынка, что окажет существенное влияние на глобальную энергетику.