Разработка новых подходов к созданию и повышению стабильности фотоактивных материалов на основе гибридных галогенидных перовскитов с использованием полигалогенидных расплавов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-73-30022

НазваниеРазработка новых подходов к созданию и повышению стабильности фотоактивных материалов на основе гибридных галогенидных перовскитов с использованием полигалогенидных расплавов

Руководитель Гудилин Евгений Алексеевич, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

Конкурс №33 - Конкурс 2019 года по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными 2019_33

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-201 - Синтез, строение и реакционная способность неорганических соединений

Ключевые слова перовскитная фотовольтаика, гибридные первоскиты, галогенидные первоскиты, первоскитоподобные соединения, слоистые первоскиты, перовскитные солнечные элементы, тонкие плёнки, полигалогениды, полииодиды

Код ГРНТИ31.15.19

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В последние годы сравнительно молодой класс органо-неорганических (гибридных) галогенидных перовскитов RPbX3 (R = CH3NH3+, (NH2)2CH+, Cs+, Rb+; M = Sn, Pb, X = Cl, Br, I) привлекает огромное внимание исследователей. Гибридные перовскиты являются прямозонными полупроводниками с уникальным набором оптических и электронных свойств, что делает их практически идеальными материалами для фотовольтаики и оптоэлектроники. Первые твердотельные солнечные элементы на основе гибридных перовскитов продемонстрировали в 2012 году КПД 10%. В результате грандиозного прогресса в 2018 году КПД данного класса устройств достиг 23.2%, превзойдя по данному показателю устройства на основе поликристаллического кремния. Химические свойства гибридных перовскитов, а также беспрецедентная толерантность к дефектам обуславливают возможность применения разнообразных простых низкотемпературных методов получения поликристаллических плёнок из данных материалов. Высокий КПД в сочетании с дешёвыми методами получения делает перовскитные солнечные элементы наиболее перспективными объектами современной фотовольтаики. Однако гибридные галогенидные перовскиты демонстрируют склонность к деградации под воздействием внешних и операционных факторов, в том числе под действием влаги и кислорода воздуха, высокой температуры, интенсивного облучения светом. Таким образом, низкая стабильность является критической проблемой, препятствующей широкому внедрению данного уникального класса соединений. Всё возрастающий интерес исследователей привлекают слоистые (2D) гибридные галогенидные перовскиты, проявляющие значительно более высокую устойчивость к упомянутым факторам деградации, при этом незначительно уступая по функциональным характеристикам «трёхмерным» гибридным перовскитам. Настоящий проект направлен на разработку новых принципов синтеза гибридных перовскитов с различной размерностью (2D - 3D) кристаллической структуры, заданной морфологией, высокой термодинамической и фотохимической стабильностью с использованием полигалогенидных расплавов (ионных жидкостей) для создания солнечных элементов и оптоэлектронных устройств нового поколения. Задача предлагаемого проекта состоит в развитии фундаментальных подходов к повышению стабильности, а также улучшению функциональных свойств класса гибридных галогенидных перовскитов за счёт понижения размерности их кристаллической структуры (при внедрении в трёхмерную структуру перовскита объёмных катионов, приводящее к образованию слоистой перовскитоподобной структуры, характерной для фаз типа Раддлесдена-Поппера, Диона-Якобсона и др.) или модификации межфазных и межзёренных границ в материалах, а также в создании совместимых с данными подходами масштабируемых методов получения данных материалов с целью их применения в фотовольтаике и оптоэлектронике. Научная новизна исследований в предлагаемом проекте связана с разработкой принципиально новых синтетических подходов к получению стабильных слоистых гибридных перовскитов в виде тонких плёнок и масштабированию разработанных подходов для практического использования при создании солнечных элементов и оптоэлектрических устройств. Использование нового синтетического подхода позволит получить новые фазы слоистых гибридных перовскитов, свойства которых будут всесторонне охарактеризованы. Кроме того, будут предложены новые подходы к модификации межзёренных и межфазных границ в поликристаллических плёнках гибридных перовскитов для снижения концентрации поверхностных дефектов и улучшения функциональных свойств материалов. Коллектив предлагаемого проекта имеет многолетний опыт исследований и глубокие компетенции в следующих областях: фотовольтаики, фотокатализа и светоизлучающих материалов; исследования и характеризации фотохимических процессов и транспорта носителей заряда в различных материалах; направленного синтеза гибридных соединений с низкой размерностью, в т.ч. перовскитоподобных галогенидов; структурной химии и дизайна материалов на основе гибридных и металлоорганических соединений. Ядром коллектива предлагаемого проекта является Лаборатория новых материалов для солнечной энергетики (ЛНМСЭ) – первая молодёжная лаборатория Факультета наук о материалов МГУ, созданная в 2016 году для поддержки перспективных направлений научных исследователей и талантливых молодых исследователей. Коллектив лаборатории реализовывали совместные проекты с ведущими мировыми лабораториями в области перовскитоной фотовольтаики (Лаборатория фотоники и межфазных границ, EPFL, Швейцария; AIST, Цукуба, Япония). В 2016-2018 гг сотрудниками Лаборатории на базе собственного оборудования выполнен проект ФЦП с софинансированием Индустриального партнёра. Результаты исследований опубликованы в ведущих международных журналах и защищены российскими и междунароными патентами. Лаборатория является крупным отечественным центром по разработке новых фотоактивных материалов и планирует расширить свою активность на новые области исследований.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Семенова А.А., Тарасов А.Б., Гудилин Е.А. Periodic table of elements and nanotechnology Mendeleev Communications, Focus Article, Mendeleev Commun., 2019, 29, 1–7 (год публикации - 2019)
10.1016/j.mencom.2019.09.001

2. Гудилин Е.А. Люди, создающие новые материалы: от поколения X до поколения Z ФГУП «Издательство «Наука», Природа, 2019, номер 8, стр. 3-12 (год публикации - 2019)

3. Гудилин Е;А., Пол Вайс, Юрий Гогоцци Nanotechnology Facets of the Periodic Table of Elements American Chemical Society (ACS Publications), ACS Nano 2019, 13, 10, 10879-10886 (год публикации - 2019)
10.1021/acsnano.9b06998

4. Шестимерова Т.А., Быков М.А., Вей Ж., Дикарев Е.В., Шевельков А.В. Кристаллическая структура и двухуровневая супрамолекулярная организация трииодида глициния Изв. АН Сер. хим., Изв. АН Сер. хим., 2019, н.8, с.1520-1524 (год публикации - 2019)
10.1007/s11172-019-2586-0

5. Е.И.Марченко, С.А.Фатеев, А.А.Петров, Е.А.Гудилин, А.Б.Тарасов Theoretical assessment of thermodynamic stability of 2D octanediammonium lead halide perovskites Mendeleev Communications (год публикации - 2019)

6. С.А.Фатеев, А.А.Петров, А.А.Ординарцев, А.Ю.Гришко, Е.А.Гудилин, А.Б.Тарасов Universal Strategy of 3D and 2D Hybrid Perovskites Single Crystal Growth via In Situ Solvent Conversion Chemistry of Materials, Chem. Mater. 2020, 32, 22, 9805–9812 (год публикации - 2020)
10.1021/acs.chemmater.0c04060

7. Н.А.Белич, А.А.Петров, П.О.Рулев, Н.М.Степанов, И.Туркевич, Е.А.Гудилин, А.Б.Тарасов From Metallic Lead Films to Perovskite Solar Cells through Lead Conversion with Polyhalide Solutions Appl. Mater. Interfaces, ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 20456−20461 (год публикации - 2020)
10.1021/acsami.0c02492

8. Е.И.Марченко, С.А.Фатеев, А.А.Петров, В.В.Королев, А.Митрофанов, А.В.Петров, Е.А.Гудилин, А.Б.Тарасов Database of Two-Dimensional Hybrid Perovskite Materials: Open- Access Collection of Crystal Structures, Band Gaps, and Atomic Partial Charges Predicted by Machine Learning Chem. Mater., Chem. Mater. 2020, 32, 7383−7388 (год публикации - 2020)
10.1021/acs.chemmater.0c02290

9. Н.Белич, Н.Удалова, А.Семенова, А.Петров, С.Фатеев, А.Тарасов, Е.Гудилин Perovskite puzzle for revolutionary perovskite materials Frontiers in Chemistry, Front. Chem. 8:550625 (год публикации - 2020)
10.3389/fchem.2020.550625

10. Т.А.Шестимерова, А.В.Миронов, М.А.Быков, А.В.Григорьева, З.Вей, Е.В.Дикарев, А.В.Шевельков Assembling Polyiodides and Iodobismuthates Using a Template Effect of a Cyclic Diammonium Cation and Formation of a Low-Gap Hybrid Iodobismuthate with High Thermal Stability Molecules, Molecules 2020, 25, 2765 (год публикации - 2020)
10.3390/molecules25122765

11. Н.Н.Удалова, А.С.Тутанцев, С.А.Фатеев, Е.А.Жаренова, Н.А.Белич, Е. М. Немыгина, А. В. Рябова, Е. А. Гудилин, А. Б. Тарасов ОСОБЕННОСТИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ОРГАНО-НЕОРГАНИЧЕСКОГО ПЕРОВСКИТА MAPbI3 ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ PBI2 С РЕАКЦИОННЫМИ ПОЛИИОДИДНЫМИ РАСПЛАВАМИ Журнал неорганической химии (год публикации - 2021)
10.31857/S0044457X21020203

12. Марченко Е.И., Королев В.В., Митрофанов А., Фатеев С.А., Гудилин Е.А., Тарасов А.Б. Layer Shift Factor in Layered Hybrid Perovskites: Univocal Quantitative Descriptor of Composition−Structure−Property Relationships Chemistry of materials, 33, 4, 1213–1217 (год публикации - 2021)
10.1021/acs.chemmater.0c03935

13. Марченко Е.И., Королев В.В., Фатеев С.А. Митрофанов А., Ерёмин Н.Н., Гудилин Е.А., Тарасов А.Б. Relationships between Distortions of Inorganic Framework and Band Gap of Layered Hybrid Halide Perovskites Chemistry of materials, 33, 18, 7518-7526 (год публикации - 2021)
10.1021/acs.chemmater.1c02467

14. Тутанцев А.С., Марченко Е.И., Удалова Н.Н., Фатеев С.А., Гудилин Е.А., Тарасов А.Б. Structural Disorder in Layered Hybrid Halide Perovskites: Types of Stacking Faults, Influence on Optical Properties and Their Suppression by Crystallization Engineering Nanomaterials, 11(12), 3333 (год публикации - 2021)
10.3390/nano11123333

15. Фатеев С.А., Петров А.А., Марченко Е.И., Зубавичус Я.В., Хрусталёв В.Н., Петров А.В., Аксёнов С.М., Гудилин Е.А., Тарасов А.Б. FA2PbBr4: Synthesis, Structure, and Unusual Optical Properties of Two Polymorphs of Formamidinium-Based Layered (110) Hybrid Perovskite Chemistry of Materials, 33, 5, 1900–1907 (год публикации - 2021)
10.1021/acs.chemmater.1c00382

16. Удалова Н.Н., Фатеев С.А., Немыгина Е.М., Занетта А., Гранчини Дж., Гудилин Е.А., Тарасов А.Б. Nonmonotonic photostability of BA2MAn-1PbnI3n+1 homologous layered perovskites ACS Applied Materials & Interfaces (год публикации - 2021)

17. Марченко Е.И., Фатеев С.А., Ординарцев А.А., Ивлев П.А., Гудилин Е.А., Тарасов А.Б. Relative distance from the center of mass - new structural descriptor linking the structure of organic cations and inorganic framework distortions in layered hybrid halide perovskites Mendeleev Communications (год публикации - 2022)

18. Петров А.А., Марченко Е.И., Фатеев С.А., Ли Ю., Гудилин Е.А., Тарасов А.Б. Solvate phases crystallizing from hybrid halide perovskite solutions: chemical classification and structural relations Mendeleev Communications (год публикации - 2022)

19. Петров А.А., Ординарцев А.А., Фатеев С.А., Гудилин Е.А., Тарасов А.Б. Solubility of Hybrid Halide Perovskites in DMF and DMSO Molecules, 26, 7541, 1-7 (год публикации - 2021)
10.3390/molecules26247541

20. Мезенцев-Черкес И.А., Шестимерова Т.А., Медведько А.В., Калинин М.А., Кузнецов А.Н., Чжэн В., Дикарёв Е.В., Дикарёв Е.В., Ватсадце С.З., Шевельков А.В. Synthesis and supramolecular organization of the iodide and triiodides of a polycyclic adamantane-based diammonium cation: the effects of hydrogen bonds and weak I⋯I interactions CrystEngComm, 23, 2384–2395 (год публикации - 2021)
10.1039/D0CE01730B

21. Фатеев С.А., Степанов Н.М., Петров А.А., Гудилин Е.А., Тарасов А.Б. Метод последовательной растворно-жидкостно-газовой конверсии плёнок металлического свинца для высокоэффективных перовскитных солнечных элементов Журнал неорганической химии (год публикации - 2022)

22. Фатеев С.А., Хрусталёв В.Н., Симонова А.В., Беликова Д.Е., Гудилин Е.А., Тарасов А.Б. Органо-неорганический слоистый перовскитоподобный иодоплюмбат с катионами ацетамидиния и метиламмония [CH3C(NH2)2,CH3NH3]PbI4: синтез, структура и оптические свойства Журнал неорганической химии (год публикации - 2022)

23. Петров А.А., Ординарцев А.А., Лысенко К.А., Гудилин Е.А., Тарасов А.Б. Ternary Phase Diagrams of MAI–PbI2–DMF and MAI–PbI2–DMSO Systems Journal of Physical Chemistry C, J. Phys. Chem. C 2022, 126, 169−173 (год публикации - 2021)
10.1021/acs.jpcc.1c10062

24. Марченко Е.И., Фатеев С.А., Гудилин Е.А., Тарасов А.Б. Band Gap and Topology of 1D Perovskite-Derived Hybrid Lead Halide Structures Crystals, Crystals 2022, 12(5), 657 (год публикации - 2022)
10.3390/cryst12050657

25. Фатеев С.А., Беликова Д.Е., Ивлев П.А., Белич Н.А., Лысенко К.А., Максимов Е.Г., Гудилин Е.А., Тарасов А.Б. Optical Properties and Photostability Improvement of CH3NH3PbI3 Treated by Iodide of Long H3N(CH2)10COOH Bifunctional Cation in “2D/3D” and “Monolayer” Passivation Modes Chemistry of Materials, Chem. Mater. 2022, 34, 2998−3005 (год публикации - 2022)
10.1021/acs.chemmater.1c03839

26. Белич Н.А., Петров А.А., Ивлев П.А., Удалова Н.Н., Пустовалова А.А., Гудилин Е.А., Тарасов А.Б. How to stabilize standard perovskite solar cells to withstand operating conditions under an ambient environment for more than 1000 hours using simple and universal encapsulation Journal of Energy Chemistry, In Press, Journal Pre-proof (год публикации - 2022)
10.1016/j.jechem.2022.12.010

27. Марченко Е.И., Фатеев С.А., Королёв В.В., Бучинский В., Ерёмин Н.Н., Гудилин Е.А., Тарасов А.Б. Structure-related bandgap of hybrid lead halide perovskites and close-packed APbX3 family of phases Journal of Materials Chemistry C, J. Mater. Chem. C, 2022,10, 16838-16846 (год публикации - 2022)
10.1039/D2TC03202C

28. Удалова Н.Н., Москаленко А.К., Белич Н.А., Ивлев П.А., Тутанцев А.С., Гудилин Е.А., Тарасов А.Б. Butanediammonium Salt Additives for Increasing Functional and Operando Stability of Light-Harvesting Materials in Perovskite Solar Cells Nanomaterials, Nanomaterials 2022, 12(24), 4357 (год публикации - 2022)
10.3390/nano12244357

29. Фатеев С.А., Марченко Е.И., Шатилова А.С., Хрусталёв В.Н., Гудилин Е.А., Тарасов А.Б. Crystallization Pathways of FABr-PbBr2-DMF and FABr-PbBr2-DMSO Systems: The Comprehensive Picture of Formamidinium-Based Low-Dimensional Perovskite-Related Phases and Intermediate Solvates International Journal of Molecular Sciences, Int. J. Mol. Sci. 2022, 23(23) (год публикации - 2022)
10.3390/ijms232315344

Публикации