Открыты новые возможности солнечных перовскитных элементов
Команда ученых из МИЭМ ВШЭ, Физического института имени П.Н. Лебедева РАН и Университета Южной Калифорнии с помощью технологий машинного обучения нашла способ избежать внутренних дефектов и увеличить эффективность перовскитных солнечных элементов. Результаты исследования могут применяться для разработки более эффективных и долговечных материалов.
Исследование проводилось на двойном перовските Cs2AgBiBr6. Статья опубликована в журнале Journal of Physical Chemistry Letters. Альтернативная энергетика привлекает внимание ученых и инвесторов из-за ее возобновляемости и чистоты. Одним из открытий индустрии в последние 20 лет стали органическо-неорганические перовскиты. Перовскит — это минерал с определенной кристаллической структурой.
Впервые такой тип соединений был обнаружен в 1839 году в Уральских горах и назван в честь графа Льва Перовского. С тех пор как в 2009 году разработали первый галоген-перовскитный солнечный элемент, показатели КПД (коэффициента полезного действия) выросли с 3,8 до 25 процентов в 2021 году. Сейчас перовскиты стали сравнимы с их главными конкурентами — солнечными элементами на основе кремния.
Пленки из перовскитов можно получить осаждением из раствора, это простая и дешевая технология. В этом их преимущество перед кремниевыми батареями и электронными устройствами со сложным процессом осаждения на подложку, где нужны сверхчистый кремний и вакуумные камеры. Существенный минус перовскитов в том, что они склонны к деградации под действием влаги и кислорода воздуха, высокой температуры и интенсивного облучения светом. Поэтому, несмотря на свои достоинства, соединения нестабильны и работать с ними сложно.
Другой проблемой перовскитов стала токсичность свинца, который использовали для увеличения их эффективности. Показатели свинцовых батарей стали немного выше, но с их использованием появились новые трудности. Содержащие свинец фотоэлементы необходимо грамотно утилизировать, иначе можно нанести вред экологии. При этом расходы на утилизацию могут быть больше, чем прибыль от самих устройств. Это экономически невыгодно, поэтому производство свинцовых батарей так и не вышло на промышленный уровень.
Перед учеными возникла задача: найти нетоксичное и стабильное соединение, не содержащее ядовитый свинец и химически неустойчивую органическую компоненту, а также способное обеспечить высокий КПД устройства. Такую работу провела группа исследователей из России и США. Для создания новых солнечных перовскитных элементов был выбран материал Cs2AgBiBr6 и изучены его свойства.
Соединение имеет структуру двойного перовскита с химической формулой A2BB’X6, где А — большой катион (положительно заряженный ион), В, B’ — катионы меньшего размера, чем А, а Х — анион (отрицательно заряженный ион). В данном соединении сайты B, B’ заняты катионами Ag и Bi. Такое соединение устойчивее: риск того, что неорганические ионы Cs, Ag и Bi будут реагировать с окружающей средой, довольно мал. Ученые исследовали нетоксичное и стабильное соединение, Cs2AgBiBr6, эффективность которого, однако, была менее трех процентов из-за дефектов в пленках.
Дефекты провоцируют захват фотогенерированных зарядов и ускоряют процесс их рекомбинации: положительно и отрицательно заряженные частицы начинают сталкиваться чаще, нейтрализуют друг друга, и заряды исчезают. Это приводит к потерям энергии: вместо того чтобы генерировать электрический ток, она рассеивается в виде тепла.
Чтобы понять, как снизить возможность образования дефектов, ученые анализировали механизм образования центров рекомбинации отрицательно заряженными вакансиями Br. Вакансиями брома называют отсутствие атомов Br в решетке Cs2AgBiBr6. Такие дефекты встречаются чаще всего. Нейтральные вакансии не сильно влияют на исчезновение зарядов. Но как только эти дефекты принимают электроны и становятся отрицательно заряженными, возникают ловушки.
Большой объем данных о дефектах (десятки тысяч конфигураций) генерировался с помощью компьютерного моделирования. Исследователи использовали квантовую теорию функционала плотности. Большое количество полученных данных затрудняло анализ результатов. Чтобы решить эту проблему, применялись современные методы машинного обучения и анализа результатов. Это помогло определить, движения каких атомов приводят к созданию ловушек и исчезновению зарядов, что снижает эффективность солнечных элементов. Ученые предложили химические способы избегать формирования таких дефектов при изготовлении материалов.
«Машинное обучение позволило нам выявить наиболее важные параметры, которые управляют захватом и исчезновением (рекомбинацией) зарядов, — комментирует профессор департамента электронной инженерии МИЭМ НИУ ВШЭ, заместитель заведующего лабораторией квантовой наноэлектроники Андрей Васенко. — Результаты нашей работы могут использоваться для создания рекомендаций по устранению дефектов и разработке лучших материалов для перовскитных солнечных элементов».
Telegram 
Дзен 
VK Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
Японские исследователи выловили у берегов Окинавы пластиковую бутылку с узким горлышком, внутри которой сидел большой живой краб. В итоге ученые смогли найти ответы на несколько возникших в связи с этой находкой вопросов: как краб попал в бутылку, сколько там находился и как ему удалось выжить?
Современные люди проводят днем неподвижно столько же времени, сколько и охотники-собиратели. Но делают это сидя, а не на корточках, как их предки. Физиология человека не адаптирована к сидению, а физические возможности цивилизованных людей — к длительному пребыванию на корточках. Теперь исследователи рассчитали часть цены, которую мы платим за проблему длительного сидения.
Древнеримские инженеры проложили колоссальную сеть дорог через Европу, Северную Африку и Ближний Восток, многие участки которой до сих пор поражают безупречной прямолинейностью. Секрет строительства заключался в использовании трех особых геодезических инструментов, с помощью которых разбивали местность на ровные отрезки и размечали трассы.
Терраформировать Марс — то есть превратить в мир, где можно жить без защитных куполов — мечта человечества с того момента, как стало понятно, что это холодная планета с призрачной бескислородной атмосферой. Сейчас главный хедлайнер ее освоения — Илон Маск, компания SpaceX которого планирует первые полеты туда уже в 2028 году. Многие энтузиасты вспоминают слова Маска 14-летней давности: Красную планету надо лишь «подремонтировать», чтобы ходить без скафандра. Но между полетом и прогулками по городу-саду на Марсе лежит огромная пропасть. Пару лет назад Naked Science рассматривал положительный сценарий терраформирования. Пришло время подсчитать, сколько же лет и ресурсов потребуется.
Самый маленький дневной хищник Африки впервые попал под наблюдение с помощью GPS-трекеров. Ученые выяснили, что для выкармливания птенцов ему нужен участок почти в 14 раз меньше, чем у степной пустельги — ближайшего «рекордсмена» среди изученных птиц.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно