Стабильные и экологичные неорганические перовскитные солнечные элементы без свинца: структурная, электронная и дефектная инженерия

Почему важны более чистые материалы для солнечной энергетики

Солнечные панели часто рассматривают как чистую альтернативу ископаемому топливу, однако многие из наиболее эффективных на сегодня солнечных элементов содержат токсичный свинец и хрупкие органические компоненты. В этом обзорном материале рассматривается новый класс солнечных материалов — полностью неорганические перовскиты без свинца — которые стремятся сохранить впечатляющую способность к поглощению света существующих устройств, при значительно повышенной безопасности и долговечности. Для читателей, интересующихся будущим чистой энергетики, статья предлагает общую схему движения поля и указывает, какие препятствия еще предстоит преодолеть.

Создание более прочной солнечной кристаллической структуры

Перовскиты — это семейство кристаллов, структура которых особенно хорошо подходит для поглощения солнечного света и транспорта электрических зарядов. Наиболее эффективные варианты до сих пор используют органическую молекулу в одной позиции решетки и свинец в другой. К сожалению, органические компоненты разрушаются при высокой температуре, влажности и сильном свете, а свинец вызывает серьезные экологические и медицинские опасения. Исследователи поэтому обращаются к полностью неорганическим схемам, где органическая часть заменяется цезием, а свинец — менее токсичными металлами. В статье сравниваются несколько таких семейств — на основе олова и германия, висмута и сурьмы, а также серебряно‑висмутовых «двойных» перовскитов — и объясняется, как незначительные изменения формы кристалла и типов связей могут сильно влиять на эффективность преобразования света в электричество.

Замена свинца на олово и германий

Ближайшими электрическими аналогами свинца являются олово и германий, которые могут формировать трехмерные перовскитные каркасы, сильно поглощающие видимый свет и, теоретически, сопоставимые с лучшими свинцовыми соединениями. Материалы на основе олова особенно близки к идеальным значениям ширины запрещенной зоны для солнечного преобразования и способны транспортировать заряды на микрометровые расстояния, сопоставимые с современными перовскитами коммерческого уровня. Проблема в том, что олово и германий гораздо легче окисляются. Эта химическая хрупкость порождает дефекты в кристалле, действующие как крошечные ямы, захватывающие заряды и превращающие полезную энергию в тепло. В обзоре описывается, как тщательный контроль состава, температуры обработки и использование вспомогательных добавок могут замедлять окисление, выравнивать рост пленки и существенно продлевать срок службы устройств, доводя КПД некоторых элементов на основе олова выше 14%.

Преобразование низкоразмерных кристаллов в более эффективные абсорберы света

Перовскиты на основе висмута и сурьмы идут по противоположному пути компромисса: они химически более стабильны и устойчивы к влаге, но их атомы соединяются в низкоразмерные кластеры и слои, а не в полностью связанную трехмерную сеть. Такая геометрия склонна удерживать заряды на месте и дает непрямые запрещенные зоны, поэтому свет преобразуется в электричество менее эффективно. Авторы показывают, как изменение соотношения ионов, вставка ионов меньшего или большего размера или частичная замена галогенидных ионов может подтолкнуть эти структуры к более связанным конфигурациям с лучшей подвижностью зарядов. Обработки поверхности и тщательно подобранные условия роста дополнительно помогают за счет уменьшения глубоких дефектов, которые эффективно «убивают» возбужденные заряды. Тем не менее КПД для этих более безопасных соединений остается скромным, обычно в однозначных низких процентах.

Проектирование двойных перовскитов и подавление дефектов

Еще один перспективный путь — замена каждой пары атомов свинца сочетанием металла с зарядом +1, например серебра, и металла с зарядом +3, например висмута, формируя так называемые двойные перовскиты. Эти материалы структурно стабильны и демонстрируют удивительно долгие времена жизни возбужденных зарядов, однако обычно обладают относительно широкими и часто непрямыми запрещенными зонами, что ограничивает их способность поглощать солнечный свет. В обзоре выделяются тактики уменьшения и перестройки этих зон — такие как внесение других металлов, мягкое искажение кристалла при помощи деформации или введение контролируемого беспорядка в расположение металлов. Во всех семействах звучит единое сообщение: то, как атомные орбитали формируют верх и низ энергетических зон, во многом определяет, какие дефекты возникают — поверхностные и безвредные или глубокие и разрушительные. Успешные инженерные подходы направлены на смещение краев зон и ландшафта дефектов в состояния, где потери на рекомбинацию минимальны.

От лабораторного любопытства к реальному источнику энергии

Смотря в будущее, статья утверждает, что неорганические перовскиты без свинца могут стать основой нового поколения более безопасных солнечных модулей, включая тандемные устройства, которые штабелируют разные поглотители, чтобы извлечь больше энергии из солнечного света. Чтобы этого добиться, ученым еще предстоит решить несколько взаимосвязанных задач: предотвратить окисление олова и германия без ущерба для качества пленки, ослабить тенденцию к захвату зарядов у каркасов на основе висмута и сурьмы, тщательно согласовать уровни энергии на интерфейсах и разработать масштабируемые методы нанесения, обеспечивающие равномерные пленки с малым количеством дефектов на больших площадях. При скоординированном прогрессе в кристаллографии, технологиях обработки и долговременных испытаниях в реалистичных условиях эти материалы могут обеспечить солнечные панели, которые будут не только эффективными, но и прочными и экологически ответственными.

Цитирование: Jang, W.J., Park, P.J., Ong, WJ. et al. Stable and eco-friendly inorganic lead-free perovskite solar cells: structural, electronic, and defect engineering. Commun Mater 7, 110 (2026). https://doi.org/10.1038/s43246-026-01158-1

Ключевые слова: перовскиты без свинца, неорганические солнечные элементы, перовскиты на основе олова, перовскиты висмута и сурьмы, двойные перовскитные фотоэлементы