Российские физики ускоряют создание солнечных батарей будущего
Ученые из Московского физико-технического института создали метод математического моделирования свойств самых перспективных материалов для производства солнечных панелей. Вместо длительного перебора составов исследователи получили точный инструмент для целенаправленного проектирования.
Галогенидные перовскиты – будущее солнечной генерации. Это синтетические материалы – кристаллические полупроводники, которые повторяют структуру природного минерала перовскита. Сейчас основу солнечных панелей составляет кремний, а их производство чрезвычайно энергозатратно и дорого.
Активный слой на основе перовскитов в жидком виде наносится на любую поверхность. При этом получаются чрезвычайно легкие и гибкие солнечные панели, которые можно интегрировать куда угодно. За полтора десятилетия КПД лабораторных образцов вырос с 3,8% до 27%, что лучше показателей многих серийных кремниевых панелей.
Однако все упирается в так называемую ширину запрещенной зоны – это своеобразный энергетический барьер, параметры которого для солнечной ячейки лежат в узком диапазоне. У самых популярных перовскитов он слишком высокий, что не дает им эффективно работать.
Дескриптор как ключ
До недавнего времени химики подбирали составы материала с низким барьером экспериментальным способом, меняя компоненты. Физики МФТИ смогли разложить структуру кристалла перовскита на составляющие и с помощью квантово-механических расчетов определили, как именно их комбинации влияют на тот самый энергетический барьер.
Как пояснил один из авторов работы, ведущий научный сотрудник лаборатории терагерцовой спектроспектрии МФТИ Михаил Таланов, «мы выяснили, что всем управляют два согласованных поворота в структуре кристалла, и показали, как именно их нужно учитывать при создании панелей».
Если эти повороты заблокировать, то можно добиться нужных свойств перовскитных солнечных батарей. Сделать это возможно, например, путем добавления более крупных молекул в структуру материала, или создав внутреннее напряжение в нанесенных на поверхности пленках.
На основе своего открытия ученые создали универсальный дескриптор – числовой показатель, который предсказывает свойства любых перовскитов. Его эффективность была доказана экспериментально. Таким образом, разработка позволяет отказаться от перебора компонентов при создании новых материалов, и моделировать их с высокой точностью с помощью математических алгоритмов. Созданные на основе нового метода материалы ученые планируют использовать не только для солнечных панелей, но и для производства сверхпроводников и элементов для новейшей микроэлектроники.
Прогнозируя свойства материалов
Главные перспективы новой методики лежат в двух плоскостях. Во-первых, это позволит перейти от экспериментального материаловедения к вычислительному. На основе математических моделей, квантовых расчетов и алгоритмов анализа данных можно будет предсказывать свойства материалов до создания физических образцов.
Во-вторых, это приблизит выход солнечных панелей на основе галогенидных перовскитов из лабораторий в промышленное производство. Сейчас российским ученым нужно устранить и ряд других недостатков перовскитов, которые этому мешают. Скорее всего, разработка специалистов МФТИ сможет в этом помочь.
В поисках стабильного перовскита
За последние годы российские ученые добились серьезных успехов в решении ключевых проблем перовскитной энергетики. В 2022 году специалисты УрФУ и ИОС УрО РАН предложили новый тип материалов, которые в два раза дешевле своих аналогов. В 2025 году сотрудники Института биохимической физики им Н. М. Эммануэля РАН с помощью полимерных добавок повысили эффективность перовскитных солнечных элементов до 20%. В 2026 году ученые Пермского политеха, Сколтеха и ФИЦ ПХФ и МХ РАН разработали четыре новых органических полимерных материала, которые вдвое долговечнее стандартных перовскитов.
От научного метода к технологическому продукту
Сегодня вычислительные технологии становятся конкурентным преимуществом при разработках в области энергетики и микроэлектроники на мировом уровне. Разработка МФТИ – это переход к цифровым методам проектирования материалов. По сути, речь идет не об улучшении конкретных моделей солнечных панелей, а о создании универсального интеллектуального математического инструмента, который позволит получать вещества с заданными параметрами. Это не только ускорит разработку новых солнечных элементов, но и поможет развитию фундаментальной науки.
