Олег Зимин Физики из Австрийского института науки и технологий (ISTA) раскрыли механизм, обеспечивающий высокую производительность перовскитных солнечных элементов. В отличие от традиционных кремниевых батарей, требующих абсолютной структурной чистоты кристалла, свинцово-галогенидные перовскиты достигают максимальной эффективности преобразования света в электричество благодаря наличию естественных микродефектов. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Nature Communications.
Производство классических кремниевых панелей остается сложным и дорогостоящим процессом, так как малейшие нарушения в кристаллической решетке ведут к потере энергии. Перовскитные элементы создаются из растворов с минимальными затратами, однако их структура изначально неоднородна. На протяжении нескольких лет в научном сообществе велась дискуссия о том, каким образом материал с множеством внутренних дефектов способен конкурировать с кремнием по уровню фотоэлектрической эффективности.
Группа исследователей под руководством Дмитро Рака и Жанибека Алпышева выяснила, что внутри перовскитов действуют специфические внутренние силы. Под воздействием солнечного света в материале образуются экситоны – связанные пары электронов и «дырок». В обычных условиях такие носители заряда могут легко столкнуться с препятствием и рассеяться, не достигнув электродов. Однако в перовскитах локальные электрические поля вблизи микроскопических доменных стенок мгновенно разделяют положительные и отрицательные заряды.
После разделения электроны получают возможность беспрепятственно двигаться к электродам. Сами доменные стенки при этом функционируют как своеобразные проводящие каналы, исключающие потерю энергии на микроуровне. Для визуализации этого процесса ученые применили метод химического окрашивания: они ввели в образец ионы серебра, которые осели на доменных стенках и превратились в металл. По словам авторов, эта технология позволила изучить внутреннюю микроструктуру кристалла без его разрушения.
Предложенная физическая модель объясняет большинство задокументированных свойств свинцово-галогенидных перовскитов и разрешает фундаментальные споры об их природе. Понимание точных механизмов движения зарядов дает инженерам теоретическую базу для дальнейшей оптимизации солнечных элементов. Это открывает путь к ускоренному переносу перовскитных технологий из лабораторий в промышленное производство и перспективам масштабного удешевления глобальной энергетической инфраструктуры.
