Ученые из МФТИ разработали математический метод, который позволяет ювелирно «настраивать» свойства материалов для солнечных панелей нового поколения. Это открытие поможет сделать солнечную энергетику еще дешевле и приблизить ее эффективность к теоретическому максимуму, отказавшись от долгих экспериментов вслепую.
Главные претенденты на роль материала для солнечных батарей будущего — галогенидные перовскиты. За последние 15 лет они совершили настоящую революцию в энергетике: КПД панелей на их основе вырос с 3,8% более чем до 25%. Перовскиты отлично поглощают свет, эффективно работают и, главное, стоят дешево.
Но у них есть изъян. Эффективность любой солнечной батареи зависит от ширины запрещенной зоны — своеобразного энергетического барьера. Если настроить этот барьер неправильно, панель «не заметит» часть солнечного света, а избыток энергии просто рассеется в виде тепла. Теория гласит, что идеальный порог для солнечной ячейки находится в строго определенном диапазоне, но у самых популярных перовскитов он завышен.
Раньше химикам приходилось искать способы снизить этот порог методом проб и ошибок, меняя состав материала. Физики из МФТИ решили эту проблему с помощью математики и законов симметрии.
Если заглянуть внутрь перовскита, его кристаллическая решетка похожа на сложный 3D-каркас из блоков, внутри которых находятся атомы. Эти блоки могут согласованно поворачиваться, сжиматься и смещаться — как сцепленные шестеренки в часовом механизме. Всего ученые насчитывают десять вариантов таких движений.
До сих пор было непонятно, как именно каждое движение влияет на свойства материала. Классические формулы сваливали всю эту сложную систему в одно усредненное число, из-за чего результаты часто получались неточными.
Исследователи разложили структуру кристалла на составляющие и с помощью квантово-механических расчетов проверили, как каждая «шестеренка» влияет на поглощение света.
Оказалось, что главными «вредителями», завышающими энергетический барьер, являются повороты блоков. Если эти повороты остановить, материал становится идеальным уловителем солнечной энергии.
На основе этого открытия ученые создали универсальный показатель (дескриптор), который с высочайшей точностью предсказывает свойства любых перовскитов. Компьютерная проверка на десятках разных материалов показала, что новый метод точнее даже современных нейросетей.
Теперь у химиков и инженеров есть четкая инструкция. Чтобы сделать перовскитную солнечную батарею идеальной, нужно «заблокировать» повороты внутри кристалла. Сделать это можно, например, добавив в структуру более крупные молекулы, которым будет тесно, или слегка сдавив материал (создав внутреннее напряжение в тонких пленках).
Раньше такие сложные системы изучали только в совокупности,— объясняет Михаил Таланов, ведущий научный сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ. — Мы предложили метод, который разбирает эту картину на детали и измеряет вклад каждой. Мы выяснили, что всем управляют два согласованных поворота в структуре кристалла, и показали, как именно их нужно учитывать при создании панелей.
Язык симметрии позволяет проектировать материалы с заранее заданными свойствами. Теперь мы можем не перебирать химические составы наугад в лаборатории, а точно вычислять, какие искажения в кристалле нужно усилить, а какие подавить,— добавил Леон Авакян, ведущий научный сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ.
Авторы планируют применить этот подход для создания других «умных» материалов, например, сверхпроводников и элементов для передовой микроэлектроники.
Результаты опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.
Исследование поддержано Российским научным фондом (грант №22-72-10022-П) и Министерством науки и высшего образования РФ (контракт №075-15-2025-010).
Источник: Минобрнауки России
