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 23-29-10016

НазваниеРазработка новых эффективных прозрачных сред для солнечной энергетики на основе линейных углеродных цепей

РуководительБухаров Дмитрий Николаевич,

Прежний руководитель Кутровская Стелла Владимировна, дата замены: 05.03.2024

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых", Владимирская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

2023 г. - 2024 г.

Конкурс№76 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс).

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-104 - Движение объектов и аппаратов в различных средах

Ключевые словапрозрачные солнечные элементы, широкополосное поглощение, метаповерхности, диоксид титана, линейный углерод

Код ГРНТИ29.19.22

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Разработка новых эффективных прозрачных сред для солнечной энергетики перспективное направление исследований, открывающее возможности, как для повышения КПД солнечных элементов, так и увеличения числа их возможных применений. В рамках данного проекта будут проведены исследования оптических свойств комплексных материалов на основе пористой матрицы диоксида титана, с включениями линейного углерода, стабилизированного золотыми частицами. Такой подход позволит решить сразу несколько фундаментальных и прикладных задач: - стабилизировать структуры, содержащие линейный углерод; - обеспечить широкий диапазон поглощения за счет включения прозрачного узкозонного полупроводника (линейный углерод) в матрицу широкозонного (диоксид титана); - повысить квантовый КПД элемента за счет использования наночастиц золота, закрепленных на концах цепей, обеспечивающих механическую стабильность углеродных нитей; а также легирующих его, изменяя тем самым структуру энергетических уровней. В рамках проекта планируется развить принципиально новое направление для научной группы, позволяющее успешно объединить в прикладной задаче полученные раннее результаты по синтезу слоистых структур диоксида титана и получения линейного углерода. Основные подходы, развиваемые в рамках данного проекта, будут сосредоточены на получении прозрачных пленок, в которых диоксид титана будет выполнять роль пористой матрицы, а в качестве легирующей добавки будут выступать структуры на основе линейного углерода, стабилизированного золотыми наночастицами. В серии численных экспериментов планируется определить необходимую концентрацию линейного углерода, как для усиления поглощения в УФ и видимом спектрах электромагнитного излучения, так и для эффективной генерации электронов. Экспериментально будет исследовано влияние длины углеродных цепей на поглощение излучения видимого диапазона и динамику генерации электронов. Будут изучены процессы увеличения поглощения света c помощью фотонного усиления, разделения заряда в полупроводнике посредством прямого переноса электронов (DET) и вызванного плазмонным резонансом переноса энергии (PIRET). Конечным результатом исследований станет – создание серии лабораторных образцов прозрачных солнечных элементов, демонстрирующих широкополосное поглощение в диапазоне от УФ до ближнего ИК на уровне до 20% от интенсивности падающего излучения.

Ожидаемые результаты
В фундаментальном плане проводимые исследования сосредоточены на изучении оптических свойств комплексных сред, и определении их оптимального состава, обеспечивающего эффективное поглощение излучения в диапазоне длин волн от УФ до ближнего ИК (1.1мкм) с высоким квантовым выходом (не менее 2 электронов на 1 поглощенный фотон). В этом направлении будут проведены модельные и экспериментальные исследования поглощения излучения пучками линейного углерода, закрепленного между золотыми наночастицами и помещенного в матрицу широкозонного полупроводника. Будут определены оптимальные по длине линейные цепи, обеспечивающие эффективное поглощение излучения и имеющие при этом работу выхода, позволяющую эффективно генерировать фотоэлектроны (при длине цепи более 100 атомов ширина между уровнями HOMO и LUMO составляет ~ 0.41 эВ). Особенность исследуемой системы заключается в наличии на концах цепей легирующих золотых частиц. За счет того, что в пространстве энергий уровень Ферми золотой частицы располагается выше уровня HOMO пучка углеродных цепей, это открывает возможности для генерации под действием света высокоэнергичных носителей, которые за счет экранирования матрицей широкозонного полупроводника могут вызывать каскадную генерацию вторичных электронов. Все предлагаемые механизмы будут изучены, как теоретически (аналитически и модельно), так и экспериментально. В прикладном плане будут разрабатываться методы включения металоуглеродных комплексов (пучок линейных цепей, закрепленный между золотыми частицами) в пористую тонкую пленку диоксида титана. Получение прозрачных пленок диоксида титана, методом лазерной абляции хорошо отработанная технологическая операция, используемая многими производителями солнечных элементов для формирования верхнего прозрачного проводящего покрытия. В данном случае, предлагается использовать дополнительное воздействие электромагнитным полем, что должно приводить к селекции частиц титана, распространяющихся в атмосфере кислорода, и обеспечивать формирование пленки с равномерным распределением пор (за счет перераспределения и самоорганизации заряженных частиц) на прозрачной подложке. В отличие от наших прежних работ, в данном случае будут отработаны режимы, приводящие к формированию устойчивого пористого слоя толщиной 1-2мкм. На следующих этапах будут отработаны методы включения распыления коллоидных систем, содержащих металогулердные комплексы в пористую пленку диоксида титана, будут изучены возможности дополнительного воздействия ультразвуком, внешними полями и т.д. для эффективного проникновения комплексов в поры и равномерного распределения в объеме. Будут проводиться оптические исследования, позволяющие определить степень насыщения пленки комплексами. В качестве альтернативного метода будут изучены возможности послойного нанесения группы «диоксид титана – металоулгеродные комплексы – диоксид титана», формирования комплексной структуры в жидкой среде и высаживания на подложку и т.д. Итоговым результатом данных исследований будет серия лабораторных образцов прозрачного солнечного элемента, с поглощением до 20% и квантовым КПД ~200%. В целом за время выполнения проекта будут получены следующие результаты: - компьютерная модель возбуждения электронов в линейных цепях и их передача в матрице диоксида титана; - состояние локализации полей в матрице диоксида титана, вблизи металоуглеродного комплекса; - лабораторный образец пористой среды, с включением металоуглеродных комплексов; - лабораторный образец прозрачного солнечного элемента.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Нами разработан экспериментальный метод, позволяющий создать прозрачный проводящий метаматериал, способный эффективно поглощать свет в узком диапазоне частот. Сочетание оптической прозрачности, электронной проводимости и резонансного поглощения света было достигнуто за счет двухэтапного процесса, состоящего, во-первых, из нанесения на поверхность тонкой пленки диоксида титана с внедренными sp-углеродными цепочками и наночастицами золота и, во-вторых, механическое удаления осажденной пленки, приводящее к образованию массива микротрубок. Оптическая спектроскопия изготовленной структуры выявила сильную резонансную особенность на плазмонной частоте наночастиц золота. Мы ожидаем на этой частоте эффективной передачи энергии между падающим светом и ансамблем носителей заряда. Эффект может быть использован в фотодиодах, активный слой которых будет состоять из метаповерхности, образованной массивом микротрубок диоксида титана, с добавлением моноатомных углеродных цепочек и наночастиц золота. Мы предлагаем конкретную конструкцию фотодиода, в которой активный слой встроен в pn-переход, образованный верхним и нижним проводящими слоями. Предварительные исследования выявили гигантскую чувствительность сопротивления проектируемой конструкции к оптическому освещению на резонансной частоте. Сделан вывод, что изготовленная метаповерхность весьма перспективна для приборного применения в оптоэлектронике. Результаты, полученные в ходе выполнения данного этапа проекта, были опубликованы в следующих источниках: 1. Stella Kavokina, Vlad Samyshkin, Junhui Cao, Andrey Abramov, Anton Osipov, Samuel Pier Essaka, Nazrullo Khalimov, Dmitry Bodunov, and Alexey Kavokin Titanium metasurfaces for optoelectronics, Nanomaterials, 2023, 13, accepted 2. A. Lelekova, V. Samyshkin, S. Kavokina Fractal geometry methods by improving image quality in atomic force microscopy, The International Summer Conference on Theoretical Physics, 3rd-7th July 2023, Moscow 3. Stella Kutrovskaya, Vlad Samyshkin, Anastasia Lelekova, Samuel Essaka, Nazrullo Khalimov, Anastasiya Makhalova Titanium dioxide metasurfaces for photovoltaic applications, The 3d international conference on nanophotonics, metamaterials and photovolvatics, 23-27th May 2023, Samarcand, Republic of Uzbekistan

Публикации

1. Кавокина С., Самышкин В.,Цао Цз., Абрамов А., Осипов А., Эссака С.П., Халимов Н., Бодунов Д., Кавокин А. Titanium based metasurfaces for optoelectronics Nanomaterials, Nanomaterials, 13 (год публикации - 2024)

2. Кутровская С., Самышкин В., Лелекова А., Эсака С., Халимов Н., Махалова А. Titanium dioxide metasurfaces for photovoltaic applications Издательство самаркандского государственного университета, Сборник З-й международной конференции по нанофотонике, метаматериалам и фотоэлектрическим технологиям (год публикации - 2023)

3. Лелекова А., Самышкин В., Кавокина С. Fractal geometry methods by improving image quality in atomic force microscopy Сборник международной летний конференции по теоретической физике 2023, Москва, Российская Федерация, Сборник международной летний конференции по теоретической физике 2023, Москва, Российская Федерация (год публикации - 2023)