За последние 15 лет КПД солнечных панелей на основе галогенидных перовскитов вырос с 3,8% до более 25%, что делает их перспективным материалом для будущего. Перовскиты хорошо поглощают свет и стоят недорого, но у них есть проблема: их энергетический барьер завышен, что приводит к потере части солнечного света и рассеиванию избыточной энергии в виде тепла. Идеальный порог для солнечной ячейки должен быть в определенном диапазоне, но у популярных перовскитов он не соответствует этому.
Химики раньше искали способы снизить порог методом проб и ошибок. Физики из МФТИ решили проблему с помощью математики и законов симметрии. Кристаллическая решетка перовскита подобна сложному 3D‑каркасу с атомами внутри, которые могут согласованно поворачиваться, сжиматься и смещаться. Ученые выделяют десять вариантов таких движений.
Ранее было непонятно, как движение влияет на свойства материала. Классические формулы давали неточные результаты. Авторы разложили структуру кристалла и с помощью квантово-механических расчетов выяснили, что повороты блоков завышают энергетический барьер. Остановка этих поворотов делает материал идеальным уловителем солнечной энергии.
«Раньше такие сложные системы изучали только в совокупности. Мы предложили метод, который разбирает эту картину на детали и измеряет вклад каждой. Мы выяснили, что всем управляют два согласованных поворота в структуре кристалла, и показали, как именно их нужно учитывать при создании панелей», – рассказал один из авторов работы, ведущий научный сотрудник лаборатории терагерцевой спектроскопии МФТИ Михаил Таланов.
Исследователи разработали универсальный дескриптор для точного предсказания свойств перовскитов. Компьютерная проверка десятков материалов подтвердила его эффективность. Авторы утверждают, что для создания идеальной перовскитной солнечной батареи необходимо «заблокировать» повороты внутри кристалла, например, добавив крупные молекулы или создав внутреннее напряжение в пленках.
«Язык симметрии открывает возможность для проектирования материалов с заранее определенными характеристиками. Теперь не нужно подбирать химические составы методом проб и ошибок в лаборатории, можно точно рассчитать, какие искажения в кристаллической решетке следует усилить, а какие – подавить», – подчеркнул ведущий научный сотрудник лаборатории терагерцевой спектроскопии МФТИ Леон Авакян, который также участвовал в исследовании.
Ученые намерены использовать этот метод для разработки «интеллектуальных» материалов, таких как сверхпроводники и компоненты для передовых микроэлектронных устройств.
Работа была выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации и Российского научного фонда.
Источник: atomic-energy.ru
распечатать статью