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 19-73-30020

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

РуководительАлдошин Сергей Михайлович, Доктор химических наук

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

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2025 г. 

Конкурс Конкурс 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).

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-602 - Химия новых органических и гибридных функциональных материалов

Ключевые словаНовые материалы, полупроводниковые материалы, солнечные батареи, фотовольтаика, энергетика.

Код ГРНТИ31.15.19

 

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

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1.5.1 Разработаны масштабируемые растворные методы формирования пленок дырочно-транспортного материала РТА и электрон-транспортного слоя SnO2 Разработаны методики формирования дырочно-транспортного слоя на основе полимера РТА и электрон-транспортного слоя на основе диоксида олова с использованием методов ракельного ножа (doctor blade, DB) и щелевой экструзии (slot die coating, SD). Проведена многопараметрическая оптимизация режимов нанесения пленок и найдены условия, обеспечивающие их высокую однородность. Микро- и наноструктура сформированных пленок была исследована с помощью целого арсенала комплементарных методов микроскопии. С использованием полученных пленок РТА и SnO2 были изготовлены перовскитные солнечные элементы p-i-n и n-i-p конфигураций, соответственно. Показано, что эффективности устройств на основе пленок, полученных масштабируемыми методами DB и SD, не уступают параметрам референсных солнечных элементов, в которых зарядово-транспортные слои наносились стандартным методом спин-коутинга. 1.5.2 Предложены новые материалы и подходы к формированию оксидных зарядово-транспортных слоев «сухими» вакуумными методами В рамках реализации проекта в 2023 г. мы впервые показали возможность напыления в вакууме зарядово-транспортных материалов, которые обычно наносятся из раствора. С использованием набора комплементарных методов микроскопии была изучена микро- и наноструктура напыленных напыленных пленок, а также нанесенных поверх пассивирующих покрытий. Показано, что солнечные элементы p-i-n конфигурации с использованием напыленных в вакууме пленок дают КПД около 19%. Полученные результаты открывают новые возможности для разработки вакуумных технологий производства перовскитных солнечных батарей. 1.5.3 Разработаны масштабируемые растворные методы формирования перовскитных полупроводниковых пленок Исследования, проведенные в 2023 г, позволили оптимизировать режимы нанесения тонких пленок комплексного галогенида свинца Cs0.12FA0.88PbI3 с использованием методов ракельного ножа (DB) и щелевой экструзии (SD). Были реализованы методы одностадийного нанесения пленок из раствора, содержащего все компоненты одновременно, с использованием технологий DB и SD. Кроме того, были также отработаны методики двухстадийного формирования перовскитных пленок, в которых вначале наносится пленка неорганических солей (PbI2+CsI), затем осаждается слой йодида формамидиния из ортогонального растворителя (изопропанола), и далее проводится термическая конверсия путем прогрева образцов при температурах 110-140 oC. Показано, что ключевую роль при формировании пленок играет режим их сушки: для достижения необходимой однородности необходимо применять поток сухого воздуха. Данные рентгенофазового анализа подтвердили высокую фазовую чистоту перовскитных пленок, полученных обоими методами. Оптические свойства пленок были идентичны характеристикам референсных образцов, полученных с использованием спин-коутера. Использование набора методов микроскопии позволило изучить морфологию перовскитных пленок, формирующихся в разных условиях, и найти оптимальные режимы их нанесения. Предварительные испытания перовскитных пленок в солнечных элементах n-i-p конфигурации ITO/SnO2/PC61BA/Cs0.12FA0.88PbI3/PTA(A)/VO2.5-x/Ag позволили получить удовлетворительные характеристики: КПД устройств от 8 до 16%. 1.5.4. Разработаны «сухие» вакуумные методы формирования качественных пленок комплексных галогенидов свинца с перовскитной структурой: FAPbI3 и Cs0.12FA0.88PbI3 Были разработаны методики нанесения пленок FAPbI3 и Cs0.12FA0.88PbI3 путем послойного или одновременного соиспарения солей-предшественников в вакууме. Оптимизированы толщины пленок и скорости осаждения, а также режимы их последующей температурной обработки. Кроме того, показана возможность формирования высококачественных пленок Cs0.12FA0.88PbI3 в результате конверсии предварительно напыленных неорганических солей в парах йодида формамидиния с использованием технологии close space sublimation (CSS). Показана высокая фазовая чистота, однородность и упорядоченная структура пленок. Установлено, что оптические свойства перовскитных пленок, выращенных вакуумными методами, либо совпадают со свойствами референсных образцов, полученных на спин-коутере, либо превосходят их. Например, напыленные в вакууме пленки FAPbI3 показывают большую интенсивность фотолюминесценции, что указывает на подавление безызлучательной рекомбинации носителей из-за снижения концентрации дефектов в пленках. Предварительные испытания напыленных перовскитных пленок в солнечных элементах n-i-p конфигурации показали оптимистичные результаты: КПД устройств менялись в пределах 7-14% в зависимости от способа формирования пленок. Так как эти результаты были получены без детальной оптимизации, есть основания рассчитывать на дальнейший прогресс в плане повышения эффективности устройств. 1.5.5. Разработана технология изготовления перовскитных фотовольтаических мини-модулей с использованием процессов лазерного и механического скрайбирования Для изготовления фотовольтаического модуля необходимо реализовать последовательное сочленение серии солнечных элементов, что требует селективного удаления отдельных функциональных слоев устройства. Технология так называемых Р1, Р2 и Р3 процессов чаще всего реализуется с использованием лазерного скрайбирования. Мы использовали импульсные лазеры с длинами волн 1064 нм (10 Вт) и 355 нм (5 Вт) для скрайбирования слоев, что позволило сформировать высококачественные борозды Р1, Р2 и Р3, как видно из данных конфокальной микроскопии. Геометрический фактор (отношение «dead area» к сумме «dead area + active area») для минимодулей составил 0.957, что является очень хорошим значением, близким к современным промышленным технологиям кремниевых фотопреобразователей (0.97-0.98). Изготовленные минимодули размером 25х25 мм со структурой ITO/SnO2/PC61BA/Cs0,12FA0,88PbI3/PTA/VOx/Ag показали высокие и воспроизводимые характеристики: КПД достигает 15.6-16.6%, что близко к показателям солнечных элементов малой площади (рис. R5d). В коллаборации с китайской исследовательской группой, предложившей варианты модификации электрон-транспортного слоя SnO2 с использованием солей нафталинсульфоновых кислот и MXenes, мы смогли получить КПД преобразования света в мини-модулях более 20%. Кроме того, были изготовлены мини-модули размером 50х50 мм и продемонстрирована их работа в условиях обычного офисного (in door) освещения. Результаты этой части работы представлены в публикации: S. Cao, L. G. Gutsev, Z. Bi, Y. Zheng, X. Xu, Y. Zhu, L. Zhong, J. Zheng, G. Xu, P. A. Troshin, S. (Frank) Liu, K. Wang, C. Gonzales, A. Guerrero, Z. Ren, G. Li. Synergistic effect of multifunctional MXene-nanosheet and naphthoquinone sulfonate toward high-performance perovskite solar cells and modules. Chem. Eng. J., 2023, 474, 145707. 1.5.6. Разработаны эффективные инкапсулянты для защиты перовскитных солнечных батарей от факторов внешней среды Инкапсуляцию перовскитных солнечных элементов со структурой FTO/SnO2/PC61BA/MAPbI3/PTA/VO2.5-x/Ag проводили с использованием концепции Wide Blanket Encapsulation (WBE). Исследовано было несколько клеевых составов, популярных в области органической электроники (DELO DUALBOND, Araldite 2011), а также предложенный нами оригинальный «Состав Х». В качестве фотоактивного материала мы намеренно использовали MAPbI3, так как этот комплексный галогенид отличается низкой стабильностью и высокой чувствительностью к факторам внешней среды, повышенным температурам и свету. ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ ОТЧЕТА ПРЕДСТАВЛЕНА В ПРИЛОЖЕННОМ ФАЙЛЕ

 

Публикации

1. Жуй Чэнь, Цзяньань Ван, Цзунхао Лю, Фумэн Жэнь, Саньвань Лю, Цзин Чжоу, Хайсинь Ван, Синь Мэн, Чжэн Чжан, Синьюй Гуань, Вэньси Лян, Павел А. Трошин, Ябин Ци, Лиюань Хань, Вэй Чэнь Reduction of bulk and surface defects in inverted methylammonium- and bromide-free formamidinium perovskite solar cells Nature Energy, 8, 839–849 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1038/s41560-023-01288-7

2. Новиков А.Н., Емельянов Н.А., Жидков И.С., Краевая О.А., Федотов Ю.С., Ямилова О.Р., Бредихин С.И., Курмаев Э.З., Дремова Н.Н., Корчагин Д.В., Шилов Г.В., Фролова Л.А., Алдошин С.М., Трошин П.А, Benchmarking the Stability of Hole-Transport Materials for p−i−n Perovskite Solar Cells: The Importance of Interfacial Reactions ASC Applied Energy Materials, 6, 7395-7404 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1021/acsaem.2c03887

3. Сергей Царев, Татьяна Дубинина, Селина Олтхоф, Антонио Гуэрерро, Сергей Ю. Лучкин, Кит Дж. Стивенсон, Сергей М. Алдошин, Хуан Бискерт, Павел А. Трошин Stabilizing perovskite solar cells with modified indium oxide electron transport layer Solar Energy Materials and Solar Cells, 251,112115 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.solmat.2022.112115

4. Четыркина М.Р., Каменева Л., Мищенко Д.В., Климанова Е.Н., Сашенкова Т.Е., Аллаярова У.Ю., Костюк С.В., Фролова Л.А., Алдошин С.М., Трошин П.А. Lead, tin, bismuth or organics: Assessment of potential environmental and human health hazards originating from mature perovskite PV technology Solar Energy Materials and Solar Cells, 252, 112177 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.solmat.2022.112177

5. Шугуан Цао, Лаврентий Г. Гуцев, Чжонэн Би, Юйпэн Чжэн, Сюэцин Сюй, Яньцин Чжу, Лювэнь Чжун, Цзеюань Чжэн, Ган Сюй, Павел А. Трошин, Шэнчжун (Фрэнк) Лю, Кай Ван, Седрик Гонзалес, Антонио Гуэрреро, Чживэй Жэнь, Ган Ли Synergistic effect of multifunctional MXene-nanosheet and naphthoquinone sulfonate toward high-performance perovskite solar cells and modules Chemical Engineering Journal, 474,145707 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.145707