Перовскитные солнечные элементы с повышенной устойчивостью к термической усталости при экстремальных перепадах температуры

Солнечная энергия, выдерживающая суровую жару и холод

Солнечные элементы, предназначенные для высотных беспилотников или спутников, должны переносить резкие колебания между палящим солнцем и сильным холодом. Металлогалогенидные перовскитные солнечные элементы легки и обладают высокой эффективностью, но их слоистая структура может трескаться и отслаиваться под таким воздействием. В этом исследовании показано, как специально подобранные молекулы могут действовать как микроскопические амортизаторы внутри этих элементов, значительно повышая их способность сохранять целостность при экстремальном циклировании температуры без потери эффективности.

Почему перспективные солнечные элементы все еще выходят из строя

Перовскитные солнечные элементы обеспечивают впечатляющую мощность в тонких, недорогих пленках, что делает их привлекательными для портативных и космических приложений. Однако их слои расширяются и сжимаются с очень разными скоростями при изменении температуры. В испытаниях, при которых устройства подвергались перемещениям примерно от −80 °C до +80 °C, эти несоответствия вызывали сильные растягивающие силы, концентрирующиеся на крошечных границах кристаллов и на интерфейсе между активным слоем и стеклообразным электродом. Со временем эта «термическая усталость» приводила к микротрещинам, ослаблению адгезии и снижению КПД, особенно в том, насколько чисто может протекать электрический ток через устройство.

Микроскопический клей между зернами кристаллов

Чтобы устранить уязвимые места внутри перовскитного слоя, исследователи добавили небольшую молекулу альфа-липоевую кислоту в раствор, из которого формируется кристаллическая пленка. Во время обычного этапа отжига, применяемого при изготовлении пленки, эти молекулы связываются в полимерные цепочки, которые аккумулируются вдоль границ между микроскопическими зернами кристаллов. Там они действуют как гибкие мостики: связываются с перовскитом, помогают заживлять дефекты и соединять соседние зерна. Продвинутая визуализация и механическое картирование показали, что эти заполненные полимером границы лучше сцепляются и более равномерно распределяют напряжение, не создавая новых нежелательных кристаллических фаз и не нарушая общей структуры пленки.

Укрепление сцепления на стыке слоев

Второй уязвимый участок — это место контакта перовскита с прозрачным проводящим слоем, собирающим заряды. Команда модифицировала этот интерфейс с помощью семейства молекул-связующих на основе липоевой кислоты в сочетании со стандартным самоорганизующимся монослоем, уже используемым в высокопроизводительных устройствах. Настраивая тиосодержащие концевые группы, они создали варианты, которые особенно прочно связываются как с электродом, так и с перовскитом. Один производный компонент с положительно заряженной сульфониевой (сульфониевый) группой оказался особенно эффективным. Механические тесты на отрыв показали, что такая обработка увеличивает силу, необходимую для расслаивания слоев, а компьютерные моделирования и спектроскопия выявили более сильную электронную связь и более благоприятное выравнивание энергий для извлечения зарядов.

Высокая эффективность, сохраняющаяся при экстремальном циклировании

После укрепления как границ зерен, так и интерфейса, исследователи собрали полные перовскитные солнечные элементы и подвергли их специализированному протоколу циклирования температуры от −80 °C до +80 °C. Лучшие образцы, комбинировавшие липоевую кислоту внутри перовскита и сульфониевый связующий на контакте, достигли стабилизированных коэффициентов преобразования мощности около 26 % при стандартном солнечном освещении — на уровне лучших лабораторных показателей. Более важно то, что после 16 жестких температурных циклов эти элементы по-прежнему обеспечивали 84 % от их первоначальной эффективности, превосходя необработанные образцы и те, в которые вводили менее эффективные добавки. Основным механизмом потерь во всех элементах было падение коэффициента заполнения, связанное с ростом сопротивления и повреждением интерфейса, но двойное укрепление замедляло это ухудшение. Тесты при непрерывной работе при интенсивном освещении и повышенной температуре дополнительно подтвердили улучшенную надежность.

Что это значит для наземной и космической солнечной энергетики

Для неспециалистов главный вывод таков: продуманная химия может превратить хрупкие, высокоэффективные перовскитные пленки в гораздо более прочные энергоулавливатели. Вставляя молекулярные «пружины» и «клей» в их наиболее уязвимые внутренние стыки, авторы показывают, что эти солнечные элементы лучше выдерживают повторяющиеся нагревы и охлаждения, которые они испытали бы на спутниках, высотных платформах и в других требовательных условиях. Работа дает план действий по разработке будущих добавок, усиливающих как внутренние кристаллические связи, так и интерфейсы слоев, что приближает легкие перовскитные фотоэлектрические элементы к долговременному использованию в суровых, быстро меняющихся климатических условиях и в космосе.

Цитирование: Yilmaz, C., Buyruk, A., Shi, Y. et al. Perovskite solar cells with enhanced thermal fatigue resistance under extreme temperature cycling. Nat Commun 17, 3669 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70293-7

Ключевые слова: перовскитные солнечные элементы, термическая усталость, циклирование температуры, инжиниринг интерфейсов, космическая фотогальваника