Перовскитные солнечные элементы на основе формиамидиний-иодида свинца (FAPbI₃) привлекают внимание исследователей благодаря высоким показателям преобразования солнечной энергии. Однако их практическое применение сдерживается фундаментальной проблемой — структурной нестабильностью фотоактивной α-фазы, которая в условиях эксплуатации (повышенная температура, влажность, облучение) склонна к необратимому переходу в гексагональную δ-фазу, не обладающую полезными фотоэлектрическими свойствами. Природа этой нестабильности коренится в особенностях ионно-ковалентной решётки [PbI₆]⁴⁻-октаэдров и подвижности органических катионов FA⁺, что приводит к нежелательному росту конфигурационной энтропии системы.

Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, HUST

В работе, опубликованной в журнале Science (2026, том 392, выпуск 6799), международный коллектив исследователей предложил оригинальное решение, получившее название «энтропийно-регулирующий молекулярный замок» (entropy-regulating molecular lock). В качестве активного агента выступает органическое соединение — гидрохлорид 1-(пиридин-3-илметил)пиперазина (сокращённо 3-PMPCl). Механизм его действия двойственен. С одной стороны, молекула 3-PMPCl, прочно адсорбируясь на поверхности кристаллической решётки, модулирует вращательную свободу органических катионов FA⁺, что парадоксальным образом увеличивает их вращательную энтропию. С другой стороны, это же взаимодействие подавляет вредное возрастание энтропии, связанное с разупорядочением и расширением неорганических [PbI₆]⁴⁻-октаэдров. В совокупности такой энтропийно-благоприятный режим повышает энергетический барьер фазового перехода α→δ и стабилизирует желаемую α-фазу даже в условиях повышенной температуры и влажности.

Ключевые экспериментальные результаты выглядят следующим образом. Авторам удалось достичь сертифицированного значения эффективности преобразования энергии (PCE) в 27,6% для FAPbI₃-элементов. Однако операционная стабильность рекордных устройств оставалась ниже современного уровня. Для решения этой проблемы был применён стабильный висмутовый электрод, что позволило при незначительном снижении эффективности (до 26,8%) добиться впечатляющей долговременной стабильности: устройство сохраняло 93,0% от исходной эффективности после 1011 часов работы при температуре 85 °C под непрерывным освещением, эквивалентным солнечному (1 sun).

Исследование выполнено при участии значительного числа научных организаций из Китая, Южной Кореи и России, что отражает высокий уровень международной кооперации в области перовскитной фотоэнергетики. Ниже приведён полный перечень учреждений, принимавших участие в работе (на основе аффилиаций авторов):

1. Уханьская национальная лаборатория оптоэлектроники (WNLO) и Школа оптической и электронной информации при Хуачжунском университете науки и технологии (HUST) (Ухань, Китай).
2. Лаборатория Optics Valley (провинция Хубэй, Китай).
3. Школа химической инженерии и Центр изучения кристаллов с антисвязывающим регулированием при Университете Сонгюнкван (SKKU) (Сувон, Республика Корея), а также Институт энергетических наук и технологий SKKU (SIEST).
4. Институт перспективных материалов Хоффмана при Шэньчжэньском политехническом университете (Шэньчжэнь, Китай).
5. Кафедра материаловедения и инженерии Южного университета науки и технологий (Шэньчжэнь, Китай).
6. Направление «Устойчивая энергетика и окружающая среда», Функциональный хаб Гонконгского университета науки и технологии (Гуанчжоу) (Гуанчжоу, Китай).
7. Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии Российской академии наук (Черноголовка, Россия).
8. Национальный центр исследований белка в Шанхае и Шанхайский центр синхротронного излучения (SSRF) при Шанхайском институте перспективных исследований Китайской академии наук (Шанхай, Китай).
9. Государственная ключевая лаборатория новых керамических материалов, Школа материаловедения и инженерии Университета Цинхуа (Пекин, Китай).
10. Колледж химии и химической инженерии Университета Сямэнь (Сямэнь, Китай).
11. Школа науки Университета Цзяннань (Уси, Китай).
12. Чжэнчжоуский институт перспективных исследований и Харбинский политехнический университет (HIT) (Чжэнчжоу и Харбин, Китай).

Таким образом, предложенная стратегия энтропийного регулирования с использованием молекулярного «замка» 3-PMPCl представляет собой перспективный метод одновременного повышения как эффективности, так и, что особенно важно, долговременной термической стабильности перовскитных фотоэлементов на основе формиамидиния. Достигнутые показатели долговечности (более 1000 часов при 85 °C) приближают такие устройства к требованиям практической фотоэнергетики, хотя вопросы масштабирования технологии и дальнейшего повышения стабильности остаются предметом активных исследований. Работа демонстрирует, как тонкое управление термодинамическими параметрами — в данном случае энтропией — на молекулярном уровне может служить эффективным инструментом для решения материаловедческих задач.

В работе принимали участие научные сотрудники ФИЦ ПХФ и МХ РАН: Н. Емельянов, В. Озерова, В. Большакова, П. Трошин и С.М. Алдошин

Tianyin Miao, Sanwan Liu, Xia Lei, Yong Zhang, Wenpei Li, Qisen Zhou, Jianan Wang, Nikita A Emelianov, Victoria V Ozerova, Valeria S Bolshakova, Wenqiang Wang, Zheng Zhou, Zhongjie Zhu, Lanlu Lu, Zhenhua Chen, Jingyuan Ma, Erxiang Xu, Luyao Wang, Yunfei Li, Zhengtian Tan, Shijie Zheng, Guilin Liu, Lianbo Guo, Jingbai Li, Yang Shen, Pavel A Troshin, Sergey M Aldoshin, Zonghao Liu, Nam-Gyu Park, Wei Chen // An entropy-regulating molecular lock stabilizes formamidinium lead halide perovskite // Science, v.392, № 6799, p. 742-74, 14 May 2026  IF = 45,8

DOI: 10.1126/science.aeb9953

Пресс-релиз об этом исследовании от РАН: «Молекулярный замок» на рекордной скорости: ученые решили важную проблему перовскитных солнечных батарей

Релиз от одной из ведущих групп данного исследования: Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, HUST