Под цветущей магнолией: как российские и китайские ученые создают солнечные элементы будущего

Schola продолжает знакомить с победителями конкурса «Международное академическое сотрудничество». В сегодняшнем номере профессор Андрей Васенко, заместитель заведующего Научно-учебной лабораторией квантовой наноэлектроники Московского института электроники и математики (МИЭМ) имени А.Н. Тихонова, рассказывает о совместном проекте лаборатории и научного коллектива Пекинского университета «Разработка высокоэффективных и стабильных перовскитных солнечных элементов» (Engineering of highly efficient and stable perovskite solar cells).

В интервью — о том, как теоретическое моделирование на суперкомпьютере cHARISMa дополняет передовые эксперименты китайских коллег, почему перовскиты лучше кремния, какие вызовы стоят на пути их промышленного внедрения и как студенческие обмены, летние школы и даже подписание соглашений под цветущими сакурами и магнолиями становятся частью международного академического сотрудничества.

— Как возникла идея этого проекта?

— Наш совместный проект с лабораторией оптоэлектронных материалов и энергетических приборов Школы материаловедения и инженерии Пекинского университета носит название «Разработка высокоэффективных и стабильных перовскитных солнечных элементов». История проекта естественно связана с развитием лаборатории квантовой наноэлектроники, в которой я работаю. С момента основания в 2017 году лаборатория активно участвует в международных исследованиях. Старт был положен благодаря российско-греческому гранту Министерства науки и высшего образования, который получил руководитель лаборатории Константин Арутюнов. Начавшееся тогда сотрудничество получило продолжение в совместной работе с исследовательскими группами из многих стран.

Одним из ключевых и успешных направлений работы нашей группы стало изучение новых материалов для солнечной энергетики — перовскитов, оксидов и дихалькогенидов переходных металлов и других перспективных материалов и гетероструктур. Мы предложили и реализовали новый междисциплинарный подход в этих исследованиях, объединив суперкомпьютерное моделирование, методы квантовой динамики и алгоритмы машинного обучения. Нам в НИУ ВШЭ очень повезло — суперкомпьютер Вышки cHARISMa один из лучших в России. Разработанный нами подход позволил получить важные результаты и закрепил позиции нашей группы в международном научном сообществе.

Параллельно развивалось сотрудничество с китайскими коллегами. Китай сегодня занимает лидирующие позиции в области исследований и промышленного внедрения перовскитных солнечных элементов. США, Япония и другие страны активно включаются в работу, но пока находятся в роли догоняющих. Это направление в Китае пользуется исключительной поддержкой со стороны государства. Практически в каждом китайском университете есть одна или несколько групп, занимающихся исследованиями перовскитов и перовскитных солнечных элементов. Благодаря российско-китайскому сотрудничеству нашей лаборатории в МИЭМ работают двое постдоков и один доцент по международному рекрутингу из Китая.

В октябре 2024 года я впервые посетил Китай в составе небольшой делегации МИЭМ. Цель поездки состояла в том, чтобы стимулировать наше сотрудничество с ключевыми университетами, с которыми наша лаборатория уже имела опыт научного взаимодействия. Одним из таких университетов был Пекинский университет, в котором нас принимал профессор факультета химии и молекулярной инженерии, знаменитый теоретик в области вычислительной квантовой химии Цзянь Лю.

Визит к профессору Лю оказался крайне плодотворным. Он организовал расширенную встречу, на которую пригласил представителей трех факультетов и нескольких исследовательских групп, — по сути, устроив нам всестороннее представление о работе Пекинского университета в области исследования перспективных материалов. Именно на этой встрече я познакомился с профессором Хуаньпинь Чжоу, заместителем декана факультета материаловедения и инженерии. Ее доклад, посвященный разработке перовскитных солнечных элементов, произвел на меня очень сильное впечатление. Уже в ходе обсуждения стало ясно, насколько взаимодополняющими являются подходы наших лабораторий и насколько перспективным может быть совместный проект.

На тот момент я уже имел опыт участия в первом конкурсе «Международное академическое сотрудничество», однако наша первая заявка, на совместный проект с Пекинским педагогическим университетом, не получила поддержки. Встреча с профессором Чжоу вдохновила на новую попытку, на этот раз с более четко сформулированной идеей, основанной на комплементарности исследований наших научных групп. Заручившись поддержкой Хуанпинь Чжоу, мы начали подготовку совместной заявки в конце осени 2024 года.

Параллельно в апреле 2025 года мы подали заявку на конкурс Российского научного фонда по линии сотрудничества с Китаем. Второй наш проект сконцентрирован на реализации гибких архитектур перовскитных солнечных элементов для применения в космосе.

Наш проект положил начало партнерству НИУ ВШЭ с Пекинским университетом. Первое, рамочное соглашение было подписано 28 марта 2025 года в ходе визита ректора Никиты Анисимова в Пекин. Мне посчастливилось быть в составе ректорской делегации. Мы приехали в Пекин в замечательное время. Повсюду цвели сакуры и магнолии. Древний кампус Пекинского университета встретил нас цветением и пением птиц. Этот кампус считается одним из самых красивых в мире. Он занимает территорию бывших императорских садов династии Цин и окружен традиционными китайскими пейзажами и множеством старинных зданий. Ректор Пекинского университета Гун Цихуан предложил подписать соглашение с НИУ ВШЭ не в кабинете, а под цветущей магнолией в саду, и сравнил ее цветение с началом нового этапа российско-китайского научного сотрудничества.

Эта история получила продолжение 8 мая этого года, когда ректор Пекинского университета прибыл в Москву в составе официальной делегации, сопровождавшей Председателя КНР Си Цзиньпина. В рамках этого визита было подписано новое научное соглашение между нашими университетами, в котором упоминается как наша лаборатория, так и лаборатория профессора Хуаньпинь Чжоу. Подписание проходило в личном присутствии Президента Российской Федерации Владимира Путина и Председателя КНР Си Цзиньпина.

Вслед за этим расширенная делегация Пекинского университета во главе с исполнительным проректором Пекинского университета, директором Высшей школы Пекинского университета в Шэньчжэне Чжан Цзинем побывала в Москве в Высшей школе экономики. В основном делегация состояла из физиков, химиков и материаловедов, так как именно эти области были отмечены в договоре от 8 мая. Во время визита активно обсуждался обмен студентами и сотрудниками, а также возможные программы двух дипломов. Поэтому естественным продолжением стал очередной визит делегации Никиты Анисимова в Пекинский университет 2 сентября. Мне в очередной раз повезло войти в состав делегации. Тогда было подписано третье соглашение — об обмене студентами и сотрудниками. Таким образом, начатое нами сотрудничество сейчас динамично развивается и в него вовлекаются разные факультеты Вышки.

В октябре состоялась еще одна наша с Константином Арутюновым поездка в Китай. Это был первый визит в рамках нашего проекта, официально стартовавшего 1 сентября. Мы обсуждали научные аспекты нашего сотрудничества, совместные статьи, обмены студентами и аспирантами. Посетили также экспериментальные лаборатории профессора Хуанпинь Чжоу. После Пекина мы также заехали в Шанхай, в Фуданьский университет, в теоретическую группу профессора Вейбина Чу. Это один из ведущих мировых специалистов по суперкомпьютерному моделированию материалов. Мы планируем сотрудничество с ним в рамках нашего проекта.

— Каковы основные задачи проекта? В чем ключевые преимущества перовскитных солнечных элементов по сравнению с традиционными солнечными панелями?

— Наш проект преследует амбициозную цель — продвинуться в разработке стабильных и эффективных перовскитных солнечных элементов. Перовскиты — это полупроводниковые материалы определенной структуры, способные преобразовать энергию солнечного света в электрический ток. Тут следует сделать небольшое отступление и рассказать о перовските. Данный минерал был открыт в уральских горах в середине XIX века и назван в честь Льва Перовского, российского государственного деятеля и страстного коллекционера минералов, финансировавшего множество геологических экспедиций. Открыт был CaTiO₃ (титанат кальция) — первый представитель целого семейства соединений с характерной кристаллической решеткой. Сегодня, когда речь идет о солнечных элементах, под перовскитами понимают не природные минералы, а синтетические полупроводники с такой же структурой — ABX₃. В этой формуле A — одновалентный катион (например, цезий или органический метиламмоний), B — двухвалентный катион (чаще всего свинец или олово), а X — галоген (йод, бром или хлор).

Перовскиты привлекают внимание ученых по всему миру потому, что могут превзойти традиционный кремний сразу по многим параметрам. Во-первых, их проще и дешевле производить — перовскитные пленки можно наносить при комнатных или умеренно высоких температурах, буквально распыляя на подложку, как краску. Во-вторых, они легче и тоньше, что особенно важно для космических аппаратов, где важен каждый грамм. А еще перовскиты отлично работают при рассеянном свете и даже на гибких поверхностях; это делает их идеальными для установки не только на крышах домов, но и на дронах, автомобилях и космических спутниках. Перовскитный солнечный элемент — это слоистая структура. К основному перовскитному слою добавляются слои транспортировки электронов и дырок к внешним электродам, формирующим электрическую цепь.

Несмотря на впечатляющие свойства, перовскитные солнечные элементы на сегодняшний день не лишены серьезных недостатков. Один из главных вызовов — нестабильность материала: со временем его структура разрушается под воздействием влаги, кислорода, тепла и даже света. Существенную роль играют также дефекты кристаллической решетки и границы между зернами материала, которые становятся своеобразными ловушками для носителей заряда, снижая эффективность устройства. Кроме того, в перовскитах наблюдается миграция ионов — особенно галогенов и органических катионов, — что может вызывать деградацию солнечных элементов и снижение их эффективности. Все это ведет к преждевременному старению элементов и пока что ограничивает их широкое промышленное применение.

Наш проект направлен на решение одной из ключевых проблем — чувствительности перовскитов к внутренним дефектам и неоднородностям структуры. Мы моделируем возникновение и эволюцию таких дефектов — от точечных нарушений кристаллической решетки до границ между зернами — с помощью методов теории функционала плотности, неадиабатической молекулярной динамики и инструментов машинного обучения. Эти дефекты играют роль ловушек для носителей заряда, усиливают рекомбинацию электронов и дырок и способствуют деградации устройства. Отдельное внимание мы уделяем интерфейсам между перовскитным слоем и транспортными материалами в солнечном элементе: здесь часто возникают специфические межфазные дефекты, влияющие на эффективность и долговечность элемента. Пассивация таких дефектов — подавление их активности за счет добавок или модификации структуры — является центральной задачей наших теоретических исследований. Российская команда также планирует экспериментальные исследования эффективности перовскитных элементов при различных температурах и термической совместимости слоев элемента, включая экстремальные условия, характерные для космических применений. Эти эксперименты планируются в лаборатории Константина Арутюнова.

— Как устроено сотрудничество между командами НИУ ВШЭ и Пекинского университета?

— Наше сотрудничество строится на принципах комплементарности исследований. Российская сторона, используя cуперкомпьютер cHARISMa и передовые методы вычислительного моделирования, сосредоточена на теоретических исследованиях: анализе дефектов кристаллической решетки, моделировании процессов деградации перовскитов и разработке стратегий их пассивации. Эти исследования включают в себя изучение поведения материалов в экстремальных условиях (таких, например, как космическое пространство), что особенно важно с точки зрения их практического применения.

Параллельно группа профессора Хуанпинь Чжоу из Пекинского университета ведет масштабную инженерную работу — от совершенствования технологий нанесения перовскитных пленок до разработки промышленных методов пассивации, превращая лабораторные открытия в прикладные технические решения. Такая деятельность невозможна без тесного взаимодействия с теоретиками: для создания эффективных и стабильных солнечных элементов необходимо точно подбирать сочетания материалов и молекул-пассиваторов, многие из которых синтезируются искусственно. Простое перебирание вариантов здесь не работает — важна прочная теоретическая основа и четкие критерии отбора. Компьютерное моделирование позволяет значительно сузить круг кандидатов, выделив наиболее перспективные структуры для последующего синтеза и экспериментальной проверки.

В рамках проекта налажена постоянная связь между российскими и китайскими исследователями. Регулярные онлайн-совещания, совместные публикации и обмен данными обеспечивают согласованность работы. Одним из важных итогов проекта станет совместный российско-китайский патент, который формализует результаты трехгодичного цикла исследований. Помимо чисто научной составляющей, проект включает в себя образовательные инициативы. Запланированы летние школы, конференции и обмены студентами и сотрудниками.

— Какие результаты вы рассчитываете получить в рамках проекта? Чем будет измеряться успех этого проекта?

— В научном плане мы ожидаем получить результаты как фундаментального, так и прикладного характера. Фундаментальные исследования в основном будут направлены на углубленное изучение механизмов деградации перовскитных материалов под воздействием внешних факторов и внутренних дефектов, разработку новых вычислительных моделей для прогнозирования устойчивости структур, а также исследование динамики ионной миграции и ее влияния на долговременную стабильность элементов. Прикладные исследования сфокусированы на оптимизации состава и архитектуры солнечных элементов, разработке промышленных методов пассивации дефектов и тестировании солнечных элементов в экстремальных условиях, включая их применение в космосе.

Одним из главных результатов нашего проекта также должно стать формирование устойчивой исследовательской группы по вычислительному материаловедению в нашей лаборатории. В начале 2024 года я набрал научно-учебную группу «Новые материалы для солнечной энергетики», которая послужила «центром кристаллизации» нашей молодежи вокруг данной темы. К проекту присоединились несколько студентов бакалавриата и магистратуры, а также аспиранты. Один из них — Михаил Саматов, выигравший в этом году престижную стипендию Президента Российской Федерации. Эти же студенты и аспиранты сейчас принимают участие в совместном проекте с Пекинским университетом. Недавно проректор Александр Балышев дал большое интервью о стратегической роли научно-учебных групп Вышки для инициации более крупных научных лабораторий. Проект нашей НУГ заканчивается в этом году, но он сыграл роль первоначальной сборки студентов и аспирантов вокруг нашей темы и может служить успешным примером развития и укрупнения научного проекта.

Пекинский университет активно подключился к развитию нашей молодежи. Группа из пяти студентов и аспирантов МИЭМ приняла участие в летней школе по квантовой молекулярной динамике материалов, которая состоялась с 18 по 21 июля этого года в Пекинском университете и была организована профессором Цзянь Лю. Студенты также выступили на научном семинаре в группе профессора Хуанпинь Чжоу.

Успех проекта мы будем оценивать по нескольким ключевым параметрам. Прежде всего, это серия публикаций в высокорейтинговых научных журналах, которые продемонстрируют наши достижения в понимании стабильности перовскитов и разработке новых материалов. Важным результатом станет подготовка к третьему году проекта заявки на совместный российско-китайский патент, который закрепит разработанные технологии. При этом особое внимание мы уделяем образовательной составляющей — подготовке нового поколения специалистов через участие в международных школах и конференциях, а также формированию устойчивой научной группы.

— Как этот проект повлияет на развитие солнечной энергетики?

— Наш проект, безусловно, вносит вклад в развитие солнечной энергетики, хотя его влияние стоит рассматривать в перспективе и в контексте международного разделения научного труда. Как исследовательская группа, сосредоточенная на фундаментальных аспектах и компьютерном моделировании, мы не претендуем на прямое технологическое лидерство в данной области. Сегодня оно принадлежит Китаю, где сосредоточены основные промышленные мощности и прикладные разработки. Однако наши исследования тоже очень важны. Мы работаем на переднем крае понимания физических процессов в перовскитных материалах: изучаем механизмы деградации, моделируем поведение дефектов, разрабатываем теоретические подходы к повышению стабильности элементов. Полученные знания станут фундаментом будущих технологических прорывов.

Особую ценность представляет разработанный нами междисциплинарный подход, сочетающий методы квантовой химии, машинного обучения и суперкомпьютерного моделирования. Он позволяет не просто описывать известные эффекты, но и предсказывать новые перспективные направления для экспериментальных исследований. Уже сейчас наши расчеты помогают экспериментаторам оптимизировать состав материалов и сократить время на «метод проб и ошибок» в лаборатории. Что касается практических результатов, то помимо научных публикаций, мы действительно рассчитываем на совместный патент в области развиваемой технологии.

Важно и образовательное влияние проекта: подготовленные нами молодые специалисты, владеющие современными методами моделирования и обладающие международным опытом, — это кадровый потенциал российской науки в области современного вычислительного материаловедения. Пусть сегодня основные технологии создаются за рубежом, участие в таких коллаборациях позволяет развивать научную школу и оставаться частью глобального исследовательского процесса. Таким образом, наш вклад — это не мгновенные технологические изменения, а постепенное углубление понимания перовскитных материалов и подготовка основы для будущих разработок.

— Каковы перспективы дальнейшего развития вашего проекта? Есть ли у него потенциал коммерциализации?

— Мы видим несколько направлений для развития нашего проекта. Прежде всего, мы планируем расширить сотрудничество с ведущими научными группами Китая, где сосредоточены самые передовые в мире исследования в области перовскитных материалов. Помимо Пекинского университета мы ведем переговоры с рядом других китайских научных центров, обладающих уникальными методиками теоретического описания перовскитов. Например, в нашу последнюю поездку мы посетили не только Пекинский, но и Фуданьский университет в Шанхае. Там расположен один из самых мощных в Китае вычислительных центров, с которым мы давно работаем и хотим актуализировать наше сотрудничество. Там работает, в частности, профессор Вейбин Чу, который тоже занят исследованием перовскитных материалов. У нас с ним уже есть ряд совместных публикаций, и теперь мы надеемся выйти на новый уровень сотрудничества. Широкое распространение перовскитной темы в Китае позволяет выстроить научную сеть контактов в ведущих университетах Китая, что поможет нам выполнять прорывные исследования самого высокого уровня. Наша цель — публикация результатов совместных исследований в журналах типа Nature и Science.

Параллельно мы активно работаем над установлением связей с российскими экспериментальными лабораториями, занимающимися солнечной энергетикой. Сейчас ведутся предварительные переговоры с несколькими научными организациями, и мы надеемся, что в ближайшее время эти контакты перерастут в полноценные совместные проекты.

В плане финансирования мы рассматриваем возможность подачи новых заявок на совместные гранты, в том числе в рамках программ РНФ и Минобрнауки. Как я уже говорил, в апреле этого года мы подали заявку на грант РНФ-NSFC с Пекинским университетом, посвященный разработке гибких перовскитных солнечных элементов для космического применения. В случае успеха это откроет новые перспективы для углубленного изучения данной тематики.

Что касается коммерциализации, то к этой задаче мы подходим взвешенно. Как группа, специализирующаяся на теоретических исследованиях и компьютерном моделировании, мы осознаем, что путь от фундаментальных результатов до практического внедрения занимает много времени и требует серьезной экспериментальной базы. На первом этапе важно укрепить нашу научную школу, расширить команду и наладить устойчивое сотрудничество с российскими экспериментальными лабораториями. Только создав такую основу, можно всерьез говорить о коммерческом потенциале разработок. Тем не менее уже сейчас наши исследования имеют практическую ценность. Разрабатываемые нами методы компьютерного проектирования и анализа перовскитных материалов становятся основой будущих технологических решений.

5 ноября

Сотрудничество