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 22-13-00463
НазваниеПеровскитные солнечные батареи для использования в космосе
Руководитель Фролова Любовь Анатольевна, Кандидат химических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии Российской академии наук , Московская обл
Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-602 - Химия новых органических и гибридных функциональных материалов
Ключевые слова Перовскитные фотоактивные материалы, радиационная стабильность, комплексные галогениды свинца, йодоплюмбаты, бромоплюмбаты, неорганические перовскиты, гамма-лучи, структурная инженерия, солнечные батареи, фотовольтаика
Код ГРНТИ44.41.35
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Солнечные батареи являются основным источником энергии для космических аппаратов и питают практически все спутники, запускаемые на околоземных орбитах. Однако солнечные панели обычно составляют основную долю полезной нагрузки космических аппаратов, значительно влияя на стоимость их доставки в космическое пространство. Одним из важнейших параметров, определяющих потенциал солнечных элементов для применения в космосе, является их удельная мощность (производимая энергия на единицу массы устройства). Лучшие кремниевые солнечные панели, специально разработанные для космических аппаратов, имеют удельную мощность <1 Вт/г и являются жесткими и хрупкими. GaAs и многопереходные солнечные панели типа A3B5 обеспечивают удельную мощность до 3 Вт/г, что в настоящее время является рекордом для космических фотоэлектрических преобразователей. Недавние исследования показали, что перовскитные солнечные батареи в условиях открытого космоса способны вырабатывать в десятки раз больше энергии, чем обычные кремниевые солнечные панели в пересчете на единицу массы (L. K. Reb. Joule, 2020, 4, 1880).
Другим важным параметром является стабильность фотоэлектрических панелей, поскольку он определяет срок службы космических аппаратов на орбите. Солнечные элементы, установленные на спутниках, должны выдерживать частые колебания температуры от 100 до 150 °С, непрерывное воздействие света со спектром AM0, где большой вклад вносит УФ-излучение (136,7 мВт/см2), а также воздействие сильного радиационного облучения. Имеющиеся на сегодняшний день литературные данные свидетельствуют о том, что перовскитные солнечные батареи имеют наибольшую радиационную стабильность в сравнении с другими типами фотоэлектрических преобразователей. Кроме того, есть значительный потенциал для дальнейшего повышения радиационной стабильности перовскитных солнечных батарей за счет направленного дизайна новых материалов и архитектуры фотовольтаических устройств.
Заявляемый проект направлен на формирование научных основ создания перовскитных солнечных батарей с высокой эффективностью и хорошей радиационной стабильностью с перспективами использования в условиях открытого космоса. В последние несколько лет во всем мире бурно развиваются исследования комплексных галогенидов свинца APbХ3 с перовскитной структурой, содержащих катионы (А) цезия, метиламмония или формамидиния и галогенид-анионы (X=Cl, Br, I). Эти материалы на порядки дешевле по сравнению с высокочистым кристаллическим кремнием. Кроме того, их можно наносить поливом из раствора, что обеспечивает высокую скорость и низкую стоимость их производства. В настоящее время к.п.д. перовскитных солнечных батарей превысили 25.5%, что близко к рекордным показателям для кристаллического кремния (~26%). Несмотря на достигнутые успехи, практическое внедрение перовскитной фотовольтаики осложнено ввиду чувствительности используемых фотоактивных материалов к кислороду и влаге воздуха.
Залогом успешной реализации данного проекта является наличие значительного научного задела у команды исполнителей проекта в разработке подходов к повышению эксплуатационной стабильности перовскитных фотопреобразователей под действием различных повреждающих факторов: облучение светом, повышенные температуры, электрическое поле (см. п. 1.7). Кроме того, исполнители проекта провели первые систематические исследования влияния ионизирующего излучения (гамма-лучей) на стабильность различных типов комплексных галогенидов свинца с перовскитной структурой, а также солнечных батарей на их основе. Полученные результаты подтвердили высокую радиационную стойкость и способность к самовосстановлению для ряда перовскитных систем (J. Phys. Chem. Lett., 2019, 10, 813; J. Phys. Chem. Lett. 2020, 11, 7, 2630), что однозначно свидетельствует о значительном потенциале использования перовскитных фотопреобразователей в космосе.
В рамках данного проекта будут продолжены начатые исследования, итогом которых должна стать разработка перовскитных солнечных батарей с высокой эффективностью (>20%) и рекордной радиационной стабильностью. Таким образом, реализация проекта позволит создать научно-технологические основы для внедрения перовскитной фотовольтаики в космической отрасли промышленности РФ.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Публикации
1. Озерова В. В., Емельянов Н. А., Кирухин Д. П., Кущ П. П., Шилов Г. В., Кичигина Г. А., Алдошин С. М., Фролова Л. А., Трошин П. А. Exploring the Limits: Degradation Behavior of Lead Halide Perovskite Films Under Exposure to Ultrahigh Doses of Gamma Rays up to 10 MGy The Journal of Physical Chemistry Letters (год публикации - 2023)
2.
Озерова В. В., Емельянов Н. А., Кирюхин Д. П., Кущ П. П., Шилов Г. В., Кичигина Г. А., Алдошин С. М., Фролова А. Л. А., Трошин П. А.
Exploring the Limits: Degradation Behavior of Lead Halide Perovskite Films under Exposure to Ultrahigh Doses of γ Rays of Up to 10 MGy
The Journal of Physical Chemistry Letters, 14, 3, 743–749 (год публикации - 2023)
10.1021/acs.jpclett.2c03763
3.
Устинова М.И., Фролова Л.А., Расметьева А.В., Емельянов Н.А., Сарычев М.Н., Шилов Г.В., Кущ П.П., Дремова Н.Н., Кичигина Г.А., Кухаренко А.И., Кирюхин Д.П., Курмаев Е.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, 12, 13219-13230 (год публикации - 2023)
10.1039/D3TA07598B
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 Е.З., Жидков И.С., Трошин П.А.
Enhanced radiation hardness of lead halide perovskite absorber materials via incorporation of Dy2+ cations
Nano Energy, 493, 152522 (год публикации - 2023)
10.1016/j.cej.2024.152522
5. Устинова М.Ю., Сарычев М.Н., Емельянов Н.А., Бабенко С.Д. , Тарасов Е., Кущ П. П., Дремова Н.Н., Кичигина Г. А., Кирюхин Д. П. , Расметьева А. В. , Кухаренко А. И. , Трошин П. А. , Курмаев Е. З. , Фролова Л. А., Жидков И. С. Towards better perovskite absorber materials: Cu+ doping improves photostability and radiation hardness of complex lead halides EcoMat (год публикации - 2024)
6.
Устинова М.И., Расметьева А.В., Кухаренко А.И., Лобанов М.В., Кущ П.П., Емельянов Н.А., Корчагин Д.В., Кичигина Г.А., Сарычев М.Н., Кирюхин Д.П., Курмаев Е.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, 45, 101687 (год публикации - 2024)
10.1016/j.mtener.2024.101687
Публикации
1. Озерова В. В., Емельянов Н. А., Кирухин Д. П., Кущ П. П., Шилов Г. В., Кичигина Г. А., Алдошин С. М., Фролова Л. А., Трошин П. А. Exploring the Limits: Degradation Behavior of Lead Halide Perovskite Films Under Exposure to Ultrahigh Doses of Gamma Rays up to 10 MGy The Journal of Physical Chemistry Letters (год публикации - 2023)
2.
Озерова В. В., Емельянов Н. А., Кирюхин Д. П., Кущ П. П., Шилов Г. В., Кичигина Г. А., Алдошин С. М., Фролова А. Л. А., Трошин П. А.
Exploring the Limits: Degradation Behavior of Lead Halide Perovskite Films under Exposure to Ultrahigh Doses of γ Rays of Up to 10 MGy
The Journal of Physical Chemistry Letters, 14, 3, 743–749 (год публикации - 2023)
10.1021/acs.jpclett.2c03763
3.
Устинова М.И., Фролова Л.А., Расметьева А.В., Емельянов Н.А., Сарычев М.Н., Шилов Г.В., Кущ П.П., Дремова Н.Н., Кичигина Г.А., Кухаренко А.И., Кирюхин Д.П., Курмаев Е.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, 12, 13219-13230 (год публикации - 2023)
10.1039/D3TA07598B
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 Е.З., Жидков И.С., Трошин П.А.
Enhanced radiation hardness of lead halide perovskite absorber materials via incorporation of Dy2+ cations
Nano Energy, 493, 152522 (год публикации - 2023)
10.1016/j.cej.2024.152522
5. Устинова М.Ю., Сарычев М.Н., Емельянов Н.А., Бабенко С.Д. , Тарасов Е., Кущ П. П., Дремова Н.Н., Кичигина Г. А., Кирюхин Д. П. , Расметьева А. В. , Кухаренко А. И. , Трошин П. А. , Курмаев Е. З. , Фролова Л. А., Жидков И. С. Towards better perovskite absorber materials: Cu+ doping improves photostability and radiation hardness of complex lead halides EcoMat (год публикации - 2024)
6.
Устинова М.И., Расметьева А.В., Кухаренко А.И., Лобанов М.В., Кущ П.П., Емельянов Н.А., Корчагин Д.В., Кичигина Г.А., Сарычев М.Н., Кирюхин Д.П., Курмаев Е.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, 45, 101687 (год публикации - 2024)
10.1016/j.mtener.2024.101687
Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Разработаны перовскитные полупроводниковые материалы с улучшенной стабильностью по отношению к гамма-излучению, а также к жесткому УФ-свету за счет применения перспективных молекулярных модификаторов
Проведено исследование радиационной стабильности, а также устойчивости при облучении светом ультрафиолетовой области серии фотоактивных материалов на основе слоистых 2D/3D перовскитов (Х)2(Cs0.1MA0.15FA0.85)39Pb40I121 с применением 15 новых перспективных молекулярных модификаторов на основе солей аммония и амидиния. Выявлена серия модификаторов, способствующих рекордному улучшению радиационной стойкости перовскитных систем при сверхвысоких дозах облучения 20 Мгр. Показана повышенная стабильность наиболее перспективных систем по отношению к жесткому УФ-свету.
Разработаны перовскитные полупроводниковые материалы с улучшенной радиационной стойкостью за счет варьирования их химического состава
Продолжение исследования радиационной стабильности широкой группы материалов Cs0,12FA0,88Pb0,99M0,01I3 с замещением 1% ионов свинца катионами 15 других металлов: Fe2+, Co2+, Ni2+, Mn2+, Pt2+, Dy2+, Eu2+, Yb2+, Gd3+, Er3+, Lu3+, Mg2+, Ca2+, Sr2+, Ba2+ позволило выявить серию составов с частичным замещением свинца с улучшенной радиационной стабильностью, в которых наблюдалось постоянство их состава, структуры и свойств после облучения гамма-лучами с общей поглощенной дозой не менее 10 МГр.
Также была показана высокая перспективность применимости стратегии варьирования химического состава для повышения устойчивости по отношению к гамма-излучению составов на основе йодоплюмбата формамидиния FAPb0.99Mn+0.02/nI3 (М = Ni2+, Sr2+, Co2+, Ba2+, Mn2+, Cu+). Показана повышенная стабильность наиболее перспективных систем по отношению к жесткому УФ-свету.
Созданы образцы перовскитных солнечных батареи с высокой эффективностью и радиационной стабильностью
В рамках проекта были изготовлены солнечные элементы на пластиковых подложках с n-i-p (PET/ITO/SnO2/PCBA/PEROVSKITE/PTA/VOх/Ag) и p-i-n (PET/ITO/PTA/PEROVSKITE/PCBM /Ag) структурой с к.п.д. более 20% для лучших из разработанных полупроводниковых материалов, модифицированных путем частичного замещения свинца на катионы других металлов, а также с применением молекулярных модификаторов. Выявлены комбинации материалов, позволяющие сохранять более 90% от своей первоначальной эффективности после получения дозы ионизирующего излучения 1.4 МГр.
Публикации
1. Озерова В. В., Емельянов Н. А., Кирухин Д. П., Кущ П. П., Шилов Г. В., Кичигина Г. А., Алдошин С. М., Фролова Л. А., Трошин П. А. Exploring the Limits: Degradation Behavior of Lead Halide Perovskite Films Under Exposure to Ultrahigh Doses of Gamma Rays up to 10 MGy The Journal of Physical Chemistry Letters (год публикации - 2023)
2.
Озерова В. В., Емельянов Н. А., Кирюхин Д. П., Кущ П. П., Шилов Г. В., Кичигина Г. А., Алдошин С. М., Фролова А. Л. А., Трошин П. А.
Exploring the Limits: Degradation Behavior of Lead Halide Perovskite Films under Exposure to Ultrahigh Doses of γ Rays of Up to 10 MGy
The Journal of Physical Chemistry Letters, 14, 3, 743–749 (год публикации - 2023)
10.1021/acs.jpclett.2c03763
3.
Устинова М.И., Фролова Л.А., Расметьева А.В., Емельянов Н.А., Сарычев М.Н., Шилов Г.В., Кущ П.П., Дремова Н.Н., Кичигина Г.А., Кухаренко А.И., Кирюхин Д.П., Курмаев Е.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, 12, 13219-13230 (год публикации - 2023)
10.1039/D3TA07598B
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 Е.З., Жидков И.С., Трошин П.А.
Enhanced radiation hardness of lead halide perovskite absorber materials via incorporation of Dy2+ cations
Nano Energy, 493, 152522 (год публикации - 2023)
10.1016/j.cej.2024.152522
5. Устинова М.Ю., Сарычев М.Н., Емельянов Н.А., Бабенко С.Д. , Тарасов Е., Кущ П. П., Дремова Н.Н., Кичигина Г. А., Кирюхин Д. П. , Расметьева А. В. , Кухаренко А. И. , Трошин П. А. , Курмаев Е. З. , Фролова Л. А., Жидков И. С. Towards better perovskite absorber materials: Cu+ doping improves photostability and radiation hardness of complex lead halides EcoMat (год публикации - 2024)
6.
Устинова М.И., Расметьева А.В., Кухаренко А.И., Лобанов М.В., Кущ П.П., Емельянов Н.А., Корчагин Д.В., Кичигина Г.А., Сарычев М.Н., Кирюхин Д.П., Курмаев Е.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, 45, 101687 (год публикации - 2024)
10.1016/j.mtener.2024.101687
Возможность практического использования результатов
Выполнение проекта позволило разработать перовскитные солнечные элементы с рекордными характеристиками и значительно улучшенной эксплуатационной стабильностью. Найденные высокостабильные фотоактивные полупроводниковые материалы могут стать основой для выполнения последующих НИОКР, направленных на запуск пилотного производства перовскитных солнечных панелей для применения в космосе, а также вывод их в качестве инновационного продукта на российский и зарубежный рынки фотоэлектрических преобразователей.