В МФТИ предложили математический метод разработки перовскитных солнечных элементов
Ученые Московского физико-технического института разработали метод, который помогает создавать более эффективные солнечные панели. Метод позволяет заранее понять, как изменения в структуре материала повлияют на его свойства, без долгих экспериментов в лаборатории.
Речь идет о перовскитах — материале, который в последние годы рассматривается как основа для солнечных панелей будущего. За 15 лет эффективность таких панелей (то есть доля солнечного света, которую они превращают в электричество) выросла с 3,8% до более чем 25%. Перовскиты дешевле в производстве, чем традиционный кремний, который используется в большинстве современных панелей.
Но у этих материалов есть один недостаток: часть энергии солнечного света они теряют впустую, она просто превращается в тепло вместо электричества. Причина в особенностях внутреннего устройства материала — его атомы образуют повторяющуюся структуру (кристаллическую решетку), и от того, как расположены и как двигаются элементы этой решетки, зависит, сколько энергии материал сможет использовать.
Раньше ученые подбирали оптимальный состав материала методом проб и ошибок: меняли пропорции веществ и проверяли результат экспериментально. Это долгий и дорогой процесс.
Физики из МФТИ предложили другой подход — они математически описали, как именно разные типы движения атомов внутри кристалла влияют на потери энергии, и выяснили, какие из этих движений приносят больше всего вреда.
Оказалось, что главная причина потерь — повороты блоков атомов внутри решетки. Если эти повороты ограничить, материал начинает работать значительно ближе к своему теоретическому максимуму.
На основе этого открытия ученые создали простой показатель, который позволяет заранее рассчитать, насколько эффективным окажется тот или иной состав перовскита, — без необходимости создавать материал и проверять его на практике. Проверка на нескольких десятках готовых материалов показала, что метод дает более точный прогноз, чем современные нейросети.
Из этого следует практический вывод: чтобы сделать перовскитную панель эффективнее, нужно заблокировать вращение атомных блоков внутри кристалла.
Добиться этого можно, например, добавив в материал более крупные молекулы, которым не хватит места для поворота, или слегка сжав тонкую пленку материала, создав в ней внутреннее напряжение.
Ведущий научный сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ Михаил Таланов отметил, что раньше подобные сложные системы изучались только целиком, без разделения на отдельные составляющие.
По его словам, новый метод впервые позволяет разложить процесс на части и определить вклад каждой из них: ключевую роль играют два согласованных поворота внутри кристалла, и теперь понятно, как именно их нужно учитывать при разработке панелей.
Подпишитесь на «Инк» в Telegram. Там мы пишем нескучным языком о самом важном для предпринимателей. Подписаться.
