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 22-61-00047

НазваниеСтабильность перовскитных солнечных элементов при облучении мощными потоками ускоренных частиц

РуководительЖидков Иван Сергеевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина", Свердловская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

2022 г. - 2025 г.

Конкурс№75 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по поручениям (указаниям) Президента Российской Федерации» (междисциплинарные проекты).

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах, 02-210 - Взаимодействие рентгеновского, синхротронного излучений и нейтронов с конденсированным веществом

Ключевые словасолнечные ячейки, гибридные перовскиты, стабильность, электронные пучки, протоны

Код ГРНТИ29.19.24

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Солнечные батареи широко применяются в качестве источника энергии для орбитальных космических аппаратов. При этом огромное значение играет вес солнечных панелей, который влияет на полезную нагрузку ракетоносителей и на стоимость выведения космических аппаратов на орбиту. Таким образом на передний план, помимо КПД солнечных ячеек, также выходит такой параметр как удельная мощность (производимая энергия на единицу массы). В этой связи перовскитные солнечные панели (PSC) являются крайне перспективной технологией для применения в космическом пространстве. Так, известно, что специально разработанные для космических аппаратов солнечные ячейки имеют имеют удельную мощность <1 Вт/г, а ячейки на основе арсенида галлия <3 Вт/г. Недавно было продемонстрировано, что PSC достигают удельной мощности до 29,4 Вт/г [1]. Помимо снижения затрат, это создает возможности для проектирования новых космических миссий, таких как полеты в дальний космос на солнечной энергии и эффективные электрические двигатели. С другой стороны при использовании ячеек в космическом пространстве на первый план выходит вопрос стабильности фотоэлектрических панелей, поскольку он определяет срок службы космических аппаратов на орбите. Солнечные панели должны выдерживать запуск и после этого подвергаться экстремальным условиям окружающей среды, таким солнечное излучение AM0, космическое излучение, сверхвысокий вакуум и огромные перепады температур [2]. На начало 2022 года эффективность преобразования солнечной энергии PSC превысила 25.5%, что близко к рекордным показателям для кристаллического кремния (~26.6%). Предыдущие лабораторные испытания исследовали воздействие различных условий окружающей среды с весьма многообещающими результатами с точки зрения стабильности материала. Действительно, отсутствие кислорода снижает химическую деградацию перовскитных солнечных элементов при сильном воздействии УФ. Деградация перовскитных солнечных элементов, рассматриваемая как основная проблема стабильности, практически отсутствует в космосе. С другой стороны, вакуумные условия могут увеличивать выделение газов и способствовать индуцированному светом образованию дефектов и миграции ионов в перовскитных солнечных элементах. Экстремальные температуры ± 80 °C вызывают обратимое падение эффективности перовскитных солнечных элементов. Однако как при слабом освещении, так и при низких температурах, а также во внешней части солнечной системы элементы эффективно генерируют энергию. При этом важнейшим фактором в условиях космоса может оказаться воздействие излучения космических частиц. С одной стороны перовскитные солнечные ячейки демонстрируют превосходную радиационную стойкость по сравнению с кремниевыми или космическими солнечными элементами с тройным соединением, а также демонстрируют эффекты восстановления и самовосстановления после воздействия, что делает их особенно интересными для применения на орбитах с сильным облучением [3]. Кроме того, есть значительный потенциал для дальнейшего повышения радиационной стабильности перовскитных солнечных батарей за счет направленного дизайна новых материалов и архитектуры фотовольтаических устройств. Данный проект направлен на исследование радиационно-стимулированных процессов в перовскитных солнечных ячейках и подбор наиболее стабильных составов и архитектуры солнечных батарей для работы в условиях космоса. В рамках данного проекта будут продолжены исследования, итогом которых должна стать не только разработка перовскитных солнечных батарей с высокой эффективностью (>20%), но и в первую очередь должны быть созданы батареи, обладающие рекордной радиационной стабильностью по отношению к пучкам заряженных частиц. Таким образом, реализация проекта позволит создать научно-технологические основы для внедрения перовскитной фотовольтаики в космической отрасли промышленности РФ. [1] Kang, S. et al. J. Mater. Chem. A 7, 1107–1114 [2] Thirsk, R. et al. CMAJ 180, 1216–1220 [3] F. Lang et al. Adv. Mater., 28 (2016), pp. 8726-8731

Ожидаемые результаты
Основной целью проекта является создание радиационно-стойких солнечных батарей на основе гибридных металлоорганических перовскитов с высокой эффективностью преобразования солнечной энергии, которые можно было бы применять в качестве источников энергии для космических аппаратов. Эта задача будет решаться совместно с организацией-партнером за счет проведения систематических и комплексных исследований, нацеленных как на исследование радиационно-стимулированных процессов в активном слое батарей и на интерфейсах с зарядово-транспортными слоями, так и на получение новых фотоактивных материалов и зарядово-транспортных слоев с высокой стойкостью к ионизирующему излучению в сочетании с оптимальными электрическими характеристиками. Основными результаты проекта станет понимание радиационно-стимулированных процессов и механизмов дефектообразования в солнечных ячейках на основе перовскитов с учётом применения различных зарядово-транспортных слоёв. Полученные результаты будут использованы для разработки новых подходов к повышению радиационной устойчивости органометаллических перовскитов в сочетании с сохранением высокой эффективности и малого веса солнечной ячейки. Итогом работ организации-партнера станет разработка оптимальных составов и зарядово-транспортных слоёв для солнечных ячеек, имеющих высокую устойчивость по отношению к ионизирующему излучению: устройства сохранят более 90% начального к.п.д. после воздействия электронов (10 МэВ и/или 0,5 МэВ, флюенс 10^16 см-2) и протонов (18-25 МэВ, флюенс 10^14 см-2). Кроме того, разработанные солнечные элементы будут обладать эффективностью преобразования солнечного света более 20 % и демонстрировать высокую термо- и фотохимическую устойчивость. Таким образом междисциплинарность подхода основана на сочетании радиационной физики твердых тел и синтеза новых материалов. Планируется, применение вычислительных методов не только к описанию процессов, но и к проектированию материалов. Данный проект ориентирован на создание технологических заделов, обеспечивающих развитие космической отрасли Российской Федерации. Проект полностью соответствует направлению Н2 Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации: «Переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, формирование новых источников, способов транспортировки и хранения энергии». Перовскитные солнечные батареи способны вырабатывать в пересчете на единицу массы в десятки раз больше энергии, чем используемые сейчас батареи на основе кристаллического кремния и GaAs. Внедрение легких и гибких перовскитных солнечных батарей позволит увеличить полезную нагрузку и расширить функционал космических аппаратов, а также снизить стоимость их вывода на орбиту. Органометаллические и полностью неорганические перовскиты, на основе галогенидов свинца, демонстрирующие высокую радиационную устойчивость являются перспективными материалами не только для солнечных батарей космических аппаратов, но и для светодиодов. В частности, такие материалы, как CsPbIxBr3-x, демонстрируют высокую стабильность и яркость свечения (Adv. Funct. Mater. 2021, 2105813). С учетом этого, светодиоды на основе перовскитных материалов сейчас активно исследуются с целью их применения в оптотехнике. Таким образом исследование и создание радиационно-стойких перовскитов на основе галогенидов свинца открывает также и перспективы для создания оптоэлектронных устройств для применения в условиях ионизирующих излучений (например при исследовании механических дефектов в атомных реакторах или для освещения горячих камер). С учетом вышесказанного, реализация данного проекта будет иметь важное социальное, экономическое и технологическое значение. Ожидаемые результаты будут соответствовать передовому международному уровню или превосходить его, что будет подтверждено публикациями в ведущих международных журналах.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Целью этапа было получение тонких пленок различных комплексных галогенидов свинца и изучение их радиационной стойкости. Показано, что все исследованные перовскитные полупроводниковые материалы отличаются высокой радиационной стойкостью и в целом сохраняют свои основные характеристики после получения дозы электронов 10^16 е/см2. Этот результат свидетельствует о перспективах их использования в космосе. Более детальные исследования показывают, что облучение электронами в определенной степени влияет на фазовый состав, оптоэлектронные свойства и морфологию перовскитных пленок. Установлено, что частичное замещение свинца на катионы других металлов является эффективным подходом к повышению устойчивости комплексных галогенидов свинца к воздействию электронов с флюенсом до 10^16 е/см2. В дальнейшем планируется исследовать влияние более высоких доз на характеристики материалов, а также провести эксперименты для установления механизма радиационной деградации материалов Cs0.12FA0.88Pb0.99M0.01I~3. Кроме того, будет также изучена радиационная стабильность солнечных батарей на основе лучших из разработанных перовскитных материалов. Моделирование взаимодействия протонов с перовскитными материалами показало, что в зависимости от энергии протонов существенно изменяется влияние на различные каналы передачи энергии. Так протоны низких энергий на 2-3 порядка больше энергии передают на ионизацию, смещения, образование вакансий и фононов по сравнению с протонами с энергией 18 МэВ. При этом установлено, что протоны с энергией 3 МэВ также оказывают существенное воздействие на перовскитные материалы, достаточно равномерно распределённой по глубине всего перовскитного слоя. Теоретически показано, чточто наиболее стабильными для облучения протонов должны являться перовскиты содержащие ионы формамидиния (FA) и цезия. Оценён вклад протонов различных энергий в скорость набора дозы при токе пучка протонов 1 мкА. Показано, что существенно более высокая скорость набора дозы при энергиях 18 и 24 МэВ сопровождается существенным разогревом образца, что может приводить к его тепловой, а не радиационной деградации. На основе расчётов подобранны оптимальные параметры пучка протонов для облучения. Предложена модернизация узла вывода протонов в атмосферу с использованием замедлителя. Для выполнения экспериментальных работ, запланированных в рамках проекта на научно-исследовательском канале циклотрона, подготовлена вакуумная камера, закуплено оборудование (вакуумные насосы, вакуумная арматура, измерители вакуума). В процессе проектирования экспериментальной камеры выполнены чертежи основных узлов. Изготовлены детали для узла вывода пучка в атмосферу, проектируется узел для подключения камеры к вакуумированному ионопроводу через заводское быстроразъемное соединение для реализации экспериментов в атмосфере при нормальных условиях, в вакууме, либо в присутствии контролируемой газовой среды. Проектируется держатель образцов вращающегося типа для облучения образцов в условиях сниженного флюенса протонов.

Публикации

1. Жидков И.С., Курмаев Э.З. Use of x-ray photoelectron spectroscopy for characterization of advanced materials Chinese-Russian Conference on Precision Metrology: Fundamentals and Applications, Chinese-Russian Conference on Precision Metrology: Fundamentals and Applications, Nov. 25 - 27, 2022·Shanghai. China, P. 52 (год публикации - 2022)

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Целью этапа было получение тонких пленок комплексных галогенидов свинца с различными молекулярными модификаторами и изучение их радиационной стойкости. Показано, что все исследованные перовскитные полупроводниковые материалы отличаются высокой радиационной стойкостью и в целом сохраняют свои основные характеристики после получения флюенса электронов 3*10^16 е/см2. Этот результат свидетельствует о перспективах их использования в космосе. Более детальные исследования показывают, что облучение электронами в определенной степени влияет на фазовый состав, оптоэлектронные свойства и морфологию перовскитных пленок. Установлено, что введение молекулярных модификаторов является эффективным подходом к повышению устойчивости комплексных галогенидов свинца к воздействию электронов с флюенсом до 3*10^16 е/см2 вследствие эффективного подавления дефектов, являющихся зародышами радиационно-стимулированной деградации. Вместе с тем введение некоторых модификаторов не приводит к улучшению свойств, а порой способствует фазовой сегрегации. Установлено, что введение молекулярных модификаторов приводит к перестройке органического катиона в процессе облучения, что оказывает влияние на связь Pb-I, при этом степень перестройки и характер и величина изменений связи Pb-I определяются природой модификатора. В связи с определенными трудностями при проведении экспериментальных измерений на первом этапе мы провели хорошо проверенные расчеты SRIM и SCAPS для энергий протонов 0,15, 3,0 и 18 МэВ. Полученные данные подтверждают предыдущие результаты исследований гамма- и электронной стабильности, которые показывают, что перовскит FAPbI3 имеет большой потенциал для использования в космосе. С другой стороны, мы показали важность учета латерального распределения падающего пучка протонов по всей глубине солнечного элемента. Оказалось, что большинство протонов при любой энергии отдают значительную часть своей энергии слоям переноса заряда и электродам. Показано, что для протонов с энергией в несколько МэВ выделение их энергии можно считать равномерным по глубине и площади всего солнечного элемента, а от протонов низкой энергии можно использовать достаточно простую защиту, например в виде прозрачных полиэтиленовых пленок. Это приводит нас к выводу о необходимости проведения земных испытаний с протонами энергий в несколько МэВ. Проведенные исследования, с одной стороны, позволили численно оценить влияние протонов различных энергий МэВ диапазона на перовскиты APbX3, а с другой стороны, подобрать наиболее радиационно-стойкие составы этих материалов. Таким образом, полученные результаты являются как непосредственно предсказывающими для проектирования солнечных элементов в космических фотоэлектрических устройствах, так и создают теоретическую основу для последующих наземных экспериментов. Впервые проведен расчёт активации перовскитных материалов при воздействии пучков протонов, оценены продукты реакции. Установлено, что в перовскитных плёнках не образуются долгоживущие радиоактивные элементы, а величина наведенной активности остаётся в умеренных пределах и позволяет производить исследования материалов на следующие сутки после облучения. Проведено машинное обучение на основе различных алгоритмов для PSCс учётом их архитектуры, включая состав перовскита и различные зарядово-транспортные слои. Выделены наиболее значимые признаки для улучшения ВАХ и эффективности преобразования PSC. Проведено пробное облучение образца MAPbI3 при энергии 18 МэВ флюенсом 10^15 протонов/см2. Изготовлено, смонтировано и испытано устройство вывода пучка протонов в атмосферу из вакуума через титановые фольги с активным охлаждением фольг потоком гелия в промежутке между двумя фольгами. Устройство испытано на энергиях 18 и 24 МэВ и токе до 4 мкА.. Разработка держатель образцов представляющий из себя диск с зажимами для крепления образцов по периметру диска. Диск закреплён на оси шагового электродвигателя и вращается в плоскости, перпендикулярной пучку протонов. Данная конструкция держателя позволит облучить несколько десятков образцов за один цикл без необходимости ручной смены образцов оператором, что значительно уменьшит дозу радиационного облучения персонала ускорителя. Устройство позволит позиционировать образец под пучком протонов и реализовать 2 режима облучения: 1) облучение с малым током пучка протонов (<1 мкА) и поочередной сменой позиций держателя, что позволит индивидуально задавать флюенс для образцов. 2) облучение одинаковым флюенсом всех образцов, при этом диск непрерывно вращается и обеспечивает периодическое охлаждение образцов, что позволяет увеличить ток пучка протонов и сократить затраты на облучение. Процесс перемещения диска и его текущее положение контролируется электронным блоком управления.

Публикации

1. Расметьева А.В., Зырянов С.С., Новоселов И.Е., Кухаренко А.И., Макаров Е.В., Чолах С.О., Курмаев Э.З., Жидков И.С. Proton irradiation on halide perovskites: numerical calculations Nanomaterials, nanomaterials-2762625 (год публикации - 2024)

2. Устинова М.И., Расметьева А.В., Кухаренко А.И., Лобанов М.В., Кущ П.П., Корчагин Д.В., Кичигина Г.А., Сарычев М.Н., Кирюхин Д.П., Курмаев Э.З., Трошин П.А., Фролова Л.А., Жидков И.С. Exploring the effects of the alkaline earth metal cations on the electronic structure, photostability and radiation hardness of lead halide perovskites Materials Today Energy, MTENER-D-23-01472 (год публикации - 2024)

3. Устинова М.И., Сарычев М.Н., Кущ П.П., Дремова Н.Н., Кичигина Г.А., Кирюхин Д.П., Расметьева А.В., Кухаренко А.И., Трошин П.А., Курмаев Э.З., Фролова Л.А., Жидков И.С. Towards better perovskite absorber materials: Cu+ doping improves photostability and radiation hardness of complex lead halides ACS Applied Materials & Interfaces, am-2023-18156x (год публикации - 2024)

4. Устинова М.И., Фролова Л.А., Расметьева А.В., Емельянов Н.А., Сарычев М.Н., Кущ П.П., Дремова Н.Н., Кичигина Г.А., Кухаренко А.И., Кирюхин Д.П., Курмаев Э.З., Жидков И.С., Трошин П.А. Enhanced radiation hardness of lead halide perovskite absorber materials via incorporation of Dy2+ cations Nano Energy, NANOEN-D-23-04302 (год публикации - 2024)

5. Устинова М.И., Фролова Л.А., Расметьева А.В., Емельянов Н.А., Сарычев М.Н., Шилов Г.А., Кущ П.П., Дремова Н.Н., Кичигина Г.А., Кухаренко А.И., Кирюхин Д.П., Курмаев Э.З., Жидков И.С., Трошин П.А. Europium shuttle for launching perovskites to space: using Eu2+/Eu3+ redox chemistry to boost photostability and radiation hardness of complex lead halides Journal of Materials Chemistry A, TA-ART-12-2023-007598 (год публикации - 2024)

6. Жидков И.С., Акбулатов А.Ф., Кухаренко А.И., Расметьева А.В., Фролова Л.А., Трошин П.А., Курмаев Э.З. Mechanism of thermal and photochemi cal degradation of ABX3 and A3B2X9 perovskites: XPS studies 4th International School on Hybrid, Organic and Perovskite Photovoltaic, 4th International School on Hybrid, Organic and Perovskite Photovoltaic. Book of Abstracts. July 10-15, Moscow, Russia, 2023. Moscow: FRC PCP MC RAS. 2023. – P. 6. (год публикации - 2023)

7. Жидков И.С., Расметьева А.В., Озерова В.В., Сарычев М.Н., Трошин П.А, Курмаев Э.З. The Effect of A-Cation Substitution on the Stability of Hybrid Perovskites under Powerful Electron Fluxes EcoMat Conference 2023, EcoMat Conference 2023. June 20-24, Hong Kong, China, 2023. – P. F-01. (год публикации - 2023)

8. Жидков И.С., Расметьева А.В., Озерова В.В., Сарычев М.Н., Трошин П.А., Курмаев Э.З. The Effect of A-Cation Substitution on the Stability of Hybrid Perovskites under Powerful Electron Fluxes ASAM-8. THE 8TH ASIAN SYMPOSIUM ON ADVANCED MATERIALS, The 8th Asian Symposium on Advanced Materials. Book of Abstracts. July 3-7, Novosibirsk, Russia, 2023. Novosibirsk : Boreskov institute of Catalysis SB RAS. 2023. – P. 397-398. (год публикации - 2023)

9. Озерова В.В., Емельянов Н.А., Устинова М.И., Гуцев Л.Г., Жидков И.С., Фролова Л.А., Трошин П.А. Radiation induced aging pathways in lead halide perovskites 4th International School on Hybrid, Organic and Perovskite Photovoltaic, 4th International School on Hybrid, Organic and Perovskite Photovoltaic. Book of Abstracts. July 10-15, Moscow, Russia, 2023. Moscow: FRC PCP MC RAS. 2023. – P. 8. (год публикации - 2023)

10. Озерова В.В., Устинова М.И., Емельянов Н.А., Кирюхин Д.П., Жидков И.С., Трошин П.А., Фролова Л.А. Exploring Radiation Hardness of Complex Lead Halides under Exposure to Ultrahigh Does of Gamma Rays up to 20 MGy 7th International Conference on Advanced Electromaterials, 7th International Conference on Advanced Electromaterials (ICAE 2021), 30 October - 3 November 2023. Korea, Jeju, 2023. – P. 4-0379. (год публикации - 2023)

11. Расметьева А.В., Воробьев С.Т., Озерова В.В., Кухаренко А.И., Сарычев М.Н., Трошин П.А., Жидков И.С. ВЛИЯНИЕ ЗАМЕЩЕНИЯ А-КАТИОНА НА СТАБИЛЬНОСТЬ ГИБРИДНЫХ ПЕРОВСКИТОВ К МОЩНЫМ ПОТОКАМ ЭЛЕКТРОНОВ Физика. Технологии. Инновации. ФТИ – 2023: тезисы докладов X Международной молодежной научной конференции, Физика. Технологии. Инновации. ФТИ – 2023: тезисы докладов X Международной молодежной научной конференции, Екатеринбург, 15-19 мая 2023 г. Екатеринбург: УрФУ, 2023. – С. 721-722 (год публикации - 2023)

12. Расметьева А.В., Устинова М.И., Кухаренко А.И., Сарычев М.Н., Трошин П.А., Жидков И.С ВЛИЯНИЕ ЧАСТИЧНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ СВИНЦА НА СТАБИЛЬНОСТЬ ГИБРИДНЫХ ПЕРОВСКИТОВ К МОЩНЫМ ПОТОКАМ ЭЛЕКТРОНОВ Физика. Технологии. Инновации. ФТИ – 2023: тезисы докладов X Международной молодежной научной конференции, Физика. Технологии. Инновации. ФТИ – 2023: тезисы докладов X Международной молодежной научной конференции, Екатеринбург, 15-19 мая 2023 г. Екатеринбург: УрФУ, 2023. – С. 692-693 (год публикации - 2023)

13. Расметьева А.В., Устинова М.И., Кухаренко А.И., Сарычев М.Н., Трошин П.А., Жидков И.С. The Effect of Partial Lead Substitution on the Stability of Hybrid Perovskites under Powerful Electron Fluxes ASAM-8. THE 8TH ASIAN SYMPOSIUM ON ADVANCED MATERIALS, The 8th Asian Symposium on Advanced Materials. Book of Abstracts. July 3-7, Novosibirsk, Russia, 2023. Novosibirsk : Boreskov institute of Catalysis SB RAS. 2023. – P. 397-398. (год публикации - 2023)