КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 19-73-30020

НазваниеРазработка технологии изготовления высокоэффективных и стабильных перовскитных солнечных батарей на стальных подложках

РуководительАлдошин Сергей Михайлович, Доктор химических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии Российской академии наук, Московская обл

КонкурсКонкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда 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 (33)

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Заявляемый проект направлен на практическое внедрение технологии высокоэффективных и стабильных перовскитных солнечных батарей в РФ. Залогом успешной реализации проекта является наличие значительного научно-технического задела у команды исполнителей, представленного в >10 патентах и патентных заявках, а также серии научных публикаций. Лишь в рамках Проекта 2019 подано 8 заявок на патенты и опубликовано 37 работ, из которых 30 – в журналах Q1 Scopus, в том числе Nature Energy, Advanced Energy Materials, Nano Energy и др. высокорейтинговых изданиях. Лучшие образцы перовскитных солнечных элементов демонстрируют сейчас сертифицированные КПД преобразования света около 25.7%, что близко к показателям для устройств на основе кристаллического кремния (26.7%). Однако перовскитная технология не требует тщательной очистки исходного сырья, выращивания монокристаллов полупроводников, их резки на тонкие пластины и др. сложных и энергоемких процессов, на которых зиждется производство кремниевых солнечных панелей. Напротив, перовскитные солнечные батареи могут быть изготовлены с использованием дешевых и масштабируемых растворных или вакуумных технологий. Поэтому себестоимость перовскитных фотопреобразователей обещает быть в разы ниже по сравнению с кремниевыми даже при небольших начальных объемах производства [Nat. Commun. 2018, 9, 5265]. Несмотря на достигнутые успехи, практическое внедрение перовскитной фотовольтаики долгое время было осложнено ввиду низкой стабильности используемых фотоактивных материалов. Комплексные галогениды свинца часто разрушаются при действии повышенных температур, света и электрического поля – факторов, которых невозможно избежать в реальных условиях эксплуатации солнечных батарей. Эта проблема была в полной мере решена в рамках Проекта 2019: разработан целый ряд подходов, позволивших значительно (на порядки) улучшить внутреннюю стабильность комплексных галогенидов свинца. В результате были разработаны материалы, демонстрирующие рекордную стабильность – более 26200 ч при непрерывном облучении светом мощностью 300 мВт/см2 (эквивалент 3 солнц), что по числу поглощенных фотонов соответствует почти 50 годам эксплуатации на Юге России. Этот результат значительно опережает мировой уровень исследований. Предлагаемый Проект 2023 является логическим продолжением Проекта 2019 и нацелен на решение ряда научно-технологических задач, необходимых для внедрения перовскитных солнечных батарей. В частности, будет сделан переход от лабораторных методов нанесения тонких пленок (например, спин-коутинга) к масштабируемым производственным процессам, таким как метод щелевой экструзии (slot die coating) при формировании пленок из раствора или СVD в рамках реализации альтернативного «сухого» подхода. Кроме того, запланированные исследования позволят осуществить масштабирование устройств от текущего уровня небольших солнечных элементов с площадью <1 см2 до фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) площадью 100 cм2 и солнечных панелей на их основе. Наконец, будет решена проблема атмосферной стойкости перовскитных солнечных батарей за счет разработки эффективной технологии их инкапсуляции, блокирующей диффузию влаги и кислорода. В итоге, к концу проекта будeт продемонстрирован полнофункциональный прототип конечного продукта (перовскитные ФЭП и панель на их основе) и создан обширный научно-технологический задел, необходимый для запуска пилотного производства перовскитных солнечных батарей. Проект будет выполняться в тесном сотрудничестве с индустриальным партнером, НПО «КвинтТех», который помимо прямого софинансирования в размере 24 млн. рублей предоставит также свои технологические наработки в области формирования полупроводниковых и барьерных пленок, что ускорит решение задач проекта. Кроме того, на основе своего обширного опыта коммерциализации инновационных разработок, НПО «КвинтТех» поможет разработать дорожную карту проекта и реализовать ее с выходом в конечном итоге на пилотное производство перовскитных солнечных панелей.

Ожидаемые результаты
Итогом реализации Проекта 2019 стала разработка перовскитных солнечных элементов с КПД преобразования света 17-20% и оценочным сроком службы не менее 20 лет в условиях инсоляции на Юге России. Эти характеристики были достигнуты благодаря созданию высокоэффективных и стабильных фотоактивных перовскитных полупроводников и перспективных зарядово-транспортных материалов, которые защищены в серии патентов и заявок на патенты. Таким образом, в рамках Проекта 2019 был сформирован ключевой научный задел, необходимый для успешного практического внедрения технологии перовскитной фотовольтаики. В рамках Проекта 2023 мы планируем сделать следующий важный шаг: разработать масштабируемую технологию изготовления перовскитных солнечных батарей с высокой эффективностью и долговременной эксплуатационной стабильностью, которая может быть основной для запуска их пилотного производства. В частности, мы ожидаем получить следующие результаты: 1) Будет осуществлен переход от лабораторных методов (например, спин-коутинга) к масштабируемым процессам формирования всех слоев перовскитных солнечных батарей, которые могут быть реализованы в промышленных масштабах. В частности, будет разработана растворная печатная технология нанесения всех слоев перовскитных солнечных элементов на гибких подложках, которая может быть реализована в режиме roll-to-roll. Кроме того, будет исследован и детально проработан альтернативный подход, в рамках которого перовскитные солнечные батареи будут изготавливаться с использованием набора «сухих» вакуумных методов, в том числе технологий осаждения из паровой фазы PVD и CVD. 2) Будет разработана технология изготовления перовскитных фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) площадью не менее 100 см2 с использованием масштабируемых методов нанесения пленок и их структурирования методами лазерного скрайбирования (процессы Р1-Р3). 3) Будут разработаны эффективные подходы к инкапсуляции перовскитных солнечных элементов и ФЭП, позволяющих надежно их защитить от воздействия кислорода и влаги воздуха. 4) На основе инкапсулированных ФЭП будет собрана фотовольтаическая панель, сопоставимая по размеру с промышленными солнечными панелями на основе кристаллического кремния. Будут изучены фотоэлектрические характеристики панели и ее эксплуатационная стабильность в климатических условиях Московской области. Таким образом, помимо формирования обширного научно-технологического задела, итогом проекта станет также демонстрация полнофункционального прототипа конечного продукта (перовскитные ФЭП и панель на их основе), что создаст основы для дальнейшего запуска пилотного производства перовскитных солнечных батарей. Подчеркнем, что для реализации данного проекта сформирован мощный консорциум из команды ведущих исследователей и технологов, имеющих большой и признанный на мировом уровне научный задел (ФИЦ ПХФ и МХ РАН), и специалистов в области продвижения и коммерциализации научных разработок в области солнечной энергетики (НПО «КвинтТех»). Индустриальный партнер НПО «КвинтТех» обеспечивает софинансирование проекта и предоставит также свои технологические наработки в области выращивания тонких пленок, что ускорит решение задач проекта. К реализации проекта также проявляет непосредственный интерес одно из ключевых подразделений Росатома: АО «Всероссийский научно-исследовательский институт по эксплуатации атомных электростанций», который может войти в проект в качестве второго индустриального партнера (письмо о поддержке приложено к заявке). Подобная организационная схема проекта создает оптимальные условия для его эффективной и успешной реализации. Данный проект напрямую ориентирован на создание технологических заделов, обеспечивающих экономический рост и социальное развитие Российской Федерации. Отметим также, что 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». Важность освоения возобновляемых источников энергии сложно переоценить. Несмотря на сильные колебания в ценах на ископаемое углеводородное топливо, нельзя не признать, что его количества на Земле ограничены. Всего лишь за два последних столетия мы использовали не меньше половины доступных запасов жидких углеводородов, которые формировались на протяжении миллионов лет. При нынешних темпах потребления его вряд ли хватит даже на ближайшее столетие. Подчеркнем, что современная химическая промышленность использует жидкие и газообразные углеводороды в качестве основного сырья, найти замену которому будет очень сложно. Кроме того, во всем мире растет озабоченность, связанная с негативным влиянием топливной энергетики на состояние окружающей среды и, как считают многие эксперты, последствия могут выражаться в глобальных изменениях климата. Очевидно, что устойчивое развитие общества требует прекращения сжигания ископаемого топлива и внедрения альтернативных источников энергии. Успешное внедрение технологии перовскитных солнечных батарей, что является приоритетной задачей данного проекта, позволит в несколько раз снизить стоимость электроэнергии, генерируемой за счет преобразования солнечного света. Для большинства регионов она станет ниже действующих тарифных ставок. Последствия такой трансформации очевидны: массовое внедрение солнечных батарей изменит облик не только отечественной, но и мировой энергетики, позволит решить важнейшие экологические, социальные и экономические проблемы.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ