В настоящее время более 85% солнечных панелей изготавливаются на основе кремния. Процесс их производства достаточно сложен, требует значительных затрат энергии и оказывает негативное воздействие на экологию. Перовскитные солнечные элементы являются одной из многообещающих альтернатив традиционной технологии и представляют особый интерес для использования в космической отрасли. В России разработкой этих материалов уже несколько лет занимается группа ученых из Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН совместно с Уральским федеральным университетом.
Современная эффективность перовскитных солнечных элементов превысила отметку в 26%, что позволяет им конкурировать с кремниевыми аналогами. Изготовление этих элементов обходится дешевле и оказывает меньшее воздействие на окружающую среду. Однако, препятствием для их широкого распространения на практике является значительная проблема: перовскитные материалы со временем утрачивают свои характеристики под воздействием света, кислорода и повышенных температур. Процесс деградации перовскитных солнечных панелей – это сложная задача, которая является предметом отдельных научных исследований. В то же время, солнечные элементы на основе перовскита демонстрируют большую устойчивость к ионизирующему излучению по сравнению с панелями, изготовленными из традиционных материалов.
Одним из ключевых преимуществ перовскитных солнечных элементов, обуславливающим их потенциал для использования в космических миссиях, является более высокая удельная мощность по сравнению с традиционными решениями.
«По словам руководителя российской научной группы из УрФУ, заведующего лабораторией фотовольтаических материалов и кандидата физико-математических наук, перовскитные панели значительно дешевле и проще в производстве по сравнению с кремниевыми. Их эффективность в преобразовании энергии сопоставима с кремниевыми элементами, однако они генерируют больше энергии на единицу массы. Это позволяет создавать более легкие панели на основе перовскитов, что оказывает заметное влияние на стоимость их доставки на орбиту Иван Сергеевич Жидков.
Основными факторами, приводящими к деградации перовскитных солнечных панелей в космической среде, являются воздействие света и космических лучей. Отсутствие кислорода в космосе и кратковременные перепады температур не оказывают значительного влияния на материал. Таким образом, для успешного использования перовскитных солнечных панелей в космосе необходимо главным образом улучшить их фотостабильность и обеспечить оптимальный уровень устойчивости к ионизирующему излучению. Кроме того, космические перовскитные солнечные панели должны быть способны выдерживать низкие температуры и сохранять работоспособность в течение продолжительного времени.
Исследования, направленные на создание подобных материалов, проводит коллектив ученых из Екатеринбурга и Черноголовки. Применяя различные методики, они получают гибкие солнечные элементы на основе перовскитов, которые отличаются устойчивостью к воздействию света и ионизирующего излучения, а также характеризуются продолжительным сроком эксплуатации. В 2025 году эти разработки были признаны одними из наиболее значимых достижений российских ученых за 2024 год и представлены на весеннем общем собрании Российской академии наук.
«Разработана новая стратегия развития перовскитных полупроводниковых материалов, которые характеризуются высокой эффективностью и продолжительным сроком службы при воздействии экстремальных условий космической среды. Удалось добиться рекордной стойкости к радиации для перовскитных солнечных батарей, сочетающихся с высоким коэффициентом полезного действия. Эта устойчивость к радиации в 10–100 раз выше, чем у устройств, изготовленных на основе кремния и арсенида галлия. Новая технология имеет ключевое значение для прогресса отечественных телекоммуникационных систем и солнечных электростанций, размещенных на орбите», — сообщил на общем собрании членов РАН президент академии наук Геннадий Яковлевич Красников.
Разработка перовскитных солнечных панелей для использования в космических аппаратах представляет собой сложную задачу, требующую значительных инвестиций и дорогостоящего оборудования, в том числе для моделирования суровых условий, характерных для космического пространства, в процессе тестирования. Исследования, проводимые специалистами из Черноголовки и Екатеринбурга, являются единственными в России в данной сфере. В мировом масштабе аналогичные проекты реализуются в еще трех государствах: США, Японии и Китае. Американские ученые уже проводят испытания экспериментальных солнечных элементов на борту американского сегмента Международной космической станции. Следовательно, успешная работа российских исследователей позволит России стать одной из первых стран, выведя перовскитные панели в космос.
Следует отметить, что перовскиты, используемые при производстве солнечных панелей, являются синтетическими материалами. Они не имеют непосредственной связи с минералом перовскитом (титанатом кальция CaTiO3) эти соединения не обладают такими свойствами, но получили такое наименование благодаря структурному подобию с ними, которое характеризуется наличием двух катионов (ионов с положительным зарядом) и одного аниона (иона с отрицательным зарядом). В искусственных перовскитах кислород-анион обычно заменяется галогеном, а заместители катионов кальция и титана могут быть разными. Так, в отечественной разработке в качестве аниона применяются йод и бром, а в качестве второго катиона – свинец.
«Перовскитные солнечные элементы формируются из нескольких слоев, толщина которых варьируется от единиц до сотен нанометров. Важную роль, помимо активного перовскитного слоя, в котором происходит генерация электронов и дырок, играют слои переноса зарядов. Они обеспечивают более эффективный отвод носителей заряда из перовскитного слоя и снижают вероятность их рекомбинации 1. Для повышения эффективности переноса зарядов на границах слоев, отвечающих за перенос заряда и перовскита, могут быть добавлены дополнительные слои. Помимо этого, в структуру перовскитных солнечных элементов входят два электрода, которые также выполняют ключевую функцию, — отметил И.С. Жидков. — Конкретный состав материала может существенно различаться, существует множество возможных вариантов. Ученый уточнил, что поскольку работы находятся в стадии разработки, исследователи не сообщают о подробном составе создаваемых панелей.
1Рекомбинация — в рассматриваемой ситуации, рекомбинация электрона, находящегося в зоне проводимости, с «дыркой» в полупроводнике, происходит при переходе электрона из зоны проводимости в валентную зону.
Как российские ученые изменяют перовскитные солнечные элементы для использования в космических условиях? Один из подходов, используемых исследователями представили в статье в журнале Journal of Materials Chemistry A. за 2024 г. Выяснилось, что повысить фотостабильность и радиационную стойкость перовскитов в полтора-два раза можно за счет добавления в них металла европия. Полученные материалы показали способность работать без значительной деградации под воздействием света в течение двух-трех лет. Этот показатель сравним с фотостабильностью кремниевых панелей. А вот устойчивость к гамма-излучению и потоку электронов у модифицированных перовскитов оказалась намного выше, чем у «традиционных» солнечных элементов: новые панели начинали разрушаться только под воздействием очень больших доз облучения, эквивалентным нахождению на орбите до десяти лет. При этом улучшенные перовскитные солнечные элементы производили в шесть раз больше энергии на 1 г веса, чем кремниевые: 20 Вт против 3 Вт.
«По словам эксперта, заявленный срок эксплуатации панелей подразумевает снижение эффективности преобразования энергии до 80% от первоначального значения И.С. Жидков.
В заключение 2024 года исследователи продемонстрировали новый метод повышения устойчивости перовскитов к воздействию излучения, основанный на частичной замене ионов свинца Pb2+ на ионы щелочноземельных металлов кальция (Ca2+), стронция (Sr2+) и бария (Ba2+). При этом в материале замещалось от 1% до 10% катионов, поскольку при полной «перестановке» он теряет свои качества поглотителя света. Замена всего 1% ионов свинца продемонстрировала значительные улучшения, повысив устойчивость перовскитов к воздействию света и высоким дозам ионизирующего излучения. Результаты исследования описаны в статье в журнале Materials Today Energy.
«Наиболее удачные из созданных образцов выдержали воздействие значительных доз гамма-лучей (5,5 млн Гр) и интенсивных потоков электронов (30 квадрлн/см 2). Подобные объемы радиации, к примеру, воздействуют на космический корабль на протяжении 15 лет полета», — приводит пресс-служба УрФУ слова И.С. Жидкова.
Работа выполняется при содействии Министерства науки и высшего образования Российской Федерации и Российского научного фонда (проекты №22-61-00047 и №22-13-00463). Руководство работами осуществляет вице-президент РАН Сергей Михайлович Алдошин. По словам И.С. Жидкова, ученые ФИЦ ПХФ и МХ РАН занимаются изготовлением панелей, в то время как УрФУ специализируется на испытаниях новых материалов на устойчивость к воздействию облучения. После лабораторных исследований предстоит проверка на прочность в реальных условиях: когда инновация будет доведена до совершенства, российские перовскитные панели планируется установить на космические спутники для выведения на низкую околоземную орбиту.
Источники
Комментарии И.С. Жидкова
ФИЦ ПХФ и МХ РАН. Проект Европий способствует внедрению перовскитных солнечных батарей в космической отрасли
УрФУ. Российские исследователи разработали способ увеличения долговечности бюджетных солнечных панелей
Физико-технический институт УрФУ. Союз университетов стал победителем конкурса, организованного Министерством науки и образования Российской Федерации
УрФУ. Анна Маринович. Работа физиков в академии наук была признана одной из наиболее выдающихся
УрФУ. Анна Маринович. Российские исследователи повысили эффективность перовскитных солнечных панелей, предназначенных для использования в космических аппаратах
УрФУ. Александр Титков. Разработка «космического» материала для солнечных батарей осуществлена учеными
Российский научный фонд. Благодаря изменению состава материала, физикам удалось увеличить продолжительность эксплуатации перовскитных солнечных батарей
Большая советская энциклопедия, третье издание. Москва: Издательство «Советская энциклопедия», 1969–1986. Рекомбинация электронов и дырок в полупроводниках (в результате проведенного анализа рынка выявлены перспективы)
Фотографии для предварительного просмотра и главной страницы: Родион Нарудинов / пресс-служба УрФУ
Фото в тексте: Родион Нарудинов / пресс-служба УрФУ, пресс-служба УрФУ.