НАУЧНАЯ ГРУППА ОПТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ отдела прикладных исследований Национальной лаборатории им. Алиханяна (ЕрФИ), которой руководит главный научный сотрудник Эдуард Алексанян, в рамках гранта Комитета по науке РА уже не первый год занимается исследованиями, связанными с созданием новых материалов для солнечной энергетики. Сегодня более 90% солнечных батарей производят из кремния. Однако его использование в этих целях – не самое выгодное решение. Чтобы обеспечить необходимый в данном случае очень высокий уровень чистоты кремния, требуется температура порядка 1500 – 1600 градусов Цельсия, а также полное исключение примесей, что в целом обходится дорого. Однако в 2009 году японские ученые обратили внимание на перовскиты – редко встречающийся в природе класс материалов, которые могли бы заменить кремний.
С использованием перовскитов ученые связывают огромные перспективы – возможности их широкого применения в солнечной энергетике, фотонике, оптике. Однако с практическим применением перовскитов связана большая проблема – под воздействием ряда факторов они разрушаются в течение одного-двух часов. Сегодня тысячи научных групп во всем мире исследуют перспективы повышения стабильности перовскитов – ищут возможность задержать фазовый переход, который приводит к утрате свойств этого материала, необходимых для его практического использования. Но когда ученым удастся решить проблему нестабильности перовскитов, эти материалы смогут заменить кремний. А преимущества практического применения перовскитов очень существенные. Их легко получить в лабораторных условиях — достаточно смешать всего лишь два- три компонента, при этом не требуется ни вакуума, ни высоких температур, использование которых связано с большими затратами. Важно, что для применения перовскитов не требуется высокая чистота материала.
Перовскиты обладают еще одним очень существенным преимуществом – их коэффициент поглощения очень высокий, значительно выше, чем кремния, то есть для выполнения необходимых функций, требуется очень тонкий слой этого материала. Если для поглощения света необходим слой кремния толщиной в 1 мм, то для перовскитов — в тысячу раз меньший. Это важно при применении перовскитов в условиях космоса, где каждый лишний грамм обходится дорого. И тут возникает еще одна дополнительное преимущество – перовскиты менее восприимчивы к воздействию радиации, чем кремний, и обладают достаточной радиационной стойкостью для выполнения своих функций в условиях космоса. В данном случае это очень существенное преимущество, которого требует проведения серьезных исследований.
Таким образом, перед учеными, работающими с перовскитами, стоят две основные задачи. Первая — обеспечить условия, существенно задерживающие фазовый переход, чтобы сохранить свойства этого материала, вторая — изучение радиационной стойкости перовскитов. Результаты проведенных исследований дают все основания полагать, что сохранить свойства перовскита в течение нескольких месяцев совершенно реально. Но этого недостаточно. Если солнечные элементы из нового материала придется часто менять, то это принципиально снижает его преимущества перед кремнием. Задача ученых — задержать фазовый переход в перовскитах на 20-25 лет. Тогда эти материалы смогут достаточно долго сохранять необходимые свойства, а простота и низкая стоимость их получения позволят полностью заменить кремний. Обе задачи далеко не простые. Чтобы задержать фазовый переход, потребуется, говоря упрощенно, заменить в материале одни атомы на другие. Для этого ученые вводят в перовскиты различные примеси. А в исследованиях, направленных на повышение радиационной стойкости, используются имеющиеся в институте электронный и протонный пучки, а также нейтронный пучок, который предоставляют коллабораторы из Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне. То есть ученые получают возможность облучать материал нейтронным пучком. У армянских ученых есть редкая возможность воздействовать на эти материалы протонами с энергией 18 мегаэлектронвольт, которая часто встречается в космосе.
В ПРОВОДИМЫХ ПО ОБОИМ НАПРАВЛЕНИЯМ ИССЛЕДОВАНИЯМ УЧАСТВУЮТ и другие коллабораторы – Институт радиофизики и электроники НАН РА, Институт химической физики имени А.Б. Налбандяна НАН РА, Университет Нотр-Дам (США), ученые из Южной Кореи. Полученные результаты представлены в публикациях в международных научных журналах с высоким импакт-фактором.
Ученые Великобритании, Китая и Польши, занимающие передовые позиции по этим исследованиям, предполагают найти решение стоящих перед наукой задач по обеспечению перовскитов необходимыми свойствами, в течение ближайших двух лет, но это не значит, что исследования, проводимые в других странах, лишены перспектив. Каждая научная группа использует свои исследовательские возможности и продвигается к поставленной цели своим путем, что в целом дает результаты, важные для решения стоящих перед наукой задач. Свои преимущества есть и у армянских ученых. Понятно, что ждать долгих 20-25 лет, чтобы убедиться в прочности созданного материала, не стоит, значит нужно создать те условия, которые могут так или иначе воздействовать на него и выяснить, какие примеси повышают прочность нового материала и какие процессы происходят в нем на электронном уровне, чтобы обоснованно прогнозировать его прочность.
Группе оптической спектроскопии с помощью введения примесей уже удалось получить материал, сохраняющий свои свойства значительно дольше, чем при отсутствии дополнительных компонентов. Время жизни этого материала увеличено в несколько раз. Еще одна возможность повышения стойкости перовскитов – использование наноразмерных материалов. Известно, что их стойкость значительно выше.
Сотрудники группы оптической спектроскопии с новыми материалами работают не впервые. Например, прежде они занимались силикатными материалами, которые тоже могут использоваться в космосе как термоконтролирующие поверхности, что очень важно, поскольку при входе в атмосферу температура космического аппарата повышается так сильно, что это становится реальной угрозой для сохранности корпуса, он может просто расплавиться. При этом менее 1 мм силикатного материала может защитить от перегрева космический аппарат. Силикатные материалы могут использоваться и в авиационных турбинах.
Группа занимается исследованием влияния радиации, температуры, давления на разные новые материалы, один из которых был получен в Институте общей и неорганической химии НАН РА. Как показали исследования, этот материал оказался стойким к воздействию радиации и имеет высокий коэффициент отражения, то есть не поглощает тепло, что важно при покрытии тех или иных поверхностей аппаратов, работающих в жестких условиях. И еще одно преимущество нового материала — он значительно дешевле используемых сегодня аналогов.
Есть еще одно направление, которым занимается эта группа – поиск и создание материалов, способных работать в качестве фильтров, что особенно актуально для атомных станций, где образуется радиационная пыль (она не должна поступать в атмосферу). Для обеспечения безопасной работы АЭС нужны фильтры, захватывающие эти частицы. Исследования, проводимые с цеолитами, дают хорошие результаты, что в дальнейшем предполагает возможности их практического использования.
Все работы проводятся на уровне электронных переходов, что позволяет досконально изучить происходящие в материалах процессы и прогнозировать их изменения под воздействием разных факторов.
