Повышение эффективности преобразования энергии солнечных элементов на основе допированных перовскитных ячеек с транспортными слоями наноразмерной толщины из оксидов переходных металлов

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 23-42-10029

НазваниеПовышение эффективности преобразования энергии солнечных элементов на основе допированных перовскитных ячеек с транспортными слоями наноразмерной толщины из оксидов переходных металлов

Руководитель Мошников Вячеслав Алексеевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" , г Санкт-Петербург

Конкурс №73 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (БРФФИ)

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые слова Солнечная ячейка, перовскитные пленки, допирование, транспортный слой p-типа, транспортный слой n- типа, наноразмерная пленка, оксиды переходных металлов, анодирование, фотоэлектрические свойства

Код ГРНТИ29.19.16, 29.19.22, 44.41.35

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Целью представляемого научно-технического проекта является исследование и синтез перспективных допированных образцов органометаллических перовскитов с высокими характеристиками фотопреобразования и повышенной стабильностью, разработка основ сознания неорганических электронных и дырочных наноразмерных транспортных слоев на основе оксидов переходных металлов, систематическое изучение электрофизических, оптических и фотоэлектрических свойств для нового поколения высокоэффективных солнечных перовскитных ячеек. Важной задачей для получения конкурентоспособных солнечных элементов на основе галогенных метало-органических перовскитов является повышение их эффективности преобразования и обеспечение стабильности работы перовскитных фотопреобразователей под воздействием внешних факторов. Повышение стабильности предложено достичь путем замены органических транспортных слоев на неорганические транспортные слои. Для реализации транспортных слоев высокого качества должны быть выполнены следующие условия: обеспечение высокой прозрачности слоя в оптическом диапазоне, высокой подвижности носителей заряда по сравнению с органическими соединениями, согласование энергетических уровней перовскита и транспортных слоев. Использование процессов допирования перовскитных пленок позволит повысить их долговременную стабильность и улучшить электрические характеристики. Новизна применяемых решений в случае n- транспортного слоя заключается в том, что для улучшения буферных и электрических свойств предлагается использовать слой TiO с легирующими добавками Nb или Ta. Модифицирующие добавки стимулируют увеличение проводимости исходного оксида титана либо встраиванием элементов замещения в кристаллическую решетку с образованием свободных электронов (донорных уровней), либо нарушением кристаллической решетки оксидной пленки, вызывая образование ионов титана Ti4+ и Ti3+. В качестве модифицирующих добавок было решено использовать Nb или Ta, как элементы, обладающие различной электронной структурой и атомными и ионными радиусами, что позволит получать оксидные структуры, обладающие оптическими и электрофизическими свойствами, отличающимися от беспримесного диоксида титана. Новизна предлагаемого решения для p- транспортного слоя в случае применения многофазной системы Ni-Cu-Al с основным Ni материалом заключается в уменьшении температуры окисления Ni при формировании полупроводникового оксида. Добавка Al служит для уменьшения температуры окисления Ni. Новизна предлагаемых решений в случае допирования пленок перовскитов заключается в повышение долговременной стабильности и улучшении электрических характеристик. Допирование перовскитных пленок приводит к уменьшению количества точечных ловушек, что способствует увеличению времени жизни носителей заряда. Легирование также способствует повышению устойчивости кристаллической решетки перовскитных пленок. Введение меди как легирующего элемента приводит к повышению электрохимического потенциала электрохимической ячейки до 0,75 В. Планируется исследовать и разработать процессы допирования пленок перовскита с использованием следующих методик: допирование аминами с углеводородной цепью ароматических радикалов; допирование аминами, содержащими гидроксильную группу и допирование ионами меди.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Мошников В.; Муратова Е.; Алешин А.; Максимов А.; Ненашев Г.; Врублевский И.; Лушпа, Н.; Тучковский, А. Acceleration of Hybrid Perovskite Film Crystallization From Solution Through the Nuclei Formation Preprints, 2023090096 (год публикации - 2023)
10.20944/preprints202309.0096.v1

2. Муратова Е. Н., Врублевский И. А., Тучковский А. К., Лушпа Н. В., Ковалева О. А. Получение пленок меди с развитой морфологией поверхности и микрокристаллической структурой при высоких плотностях тока Вестник НовГУ, 3(132). С. 357-364 (год публикации - 2023)
10.34680/2076-8052.2023.3(132).357-364

3. Рябко А. А., Овезов М. К., Максимов А. И., Алешин А. Н., Мошников В. А. КОНКУРИРУЮЩИЕ МЕХАНИЗМЫ РОСТА ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛЕНКИ MAPbI3 Вестник НовГУ, 3(132). С. 365-373 (год публикации - 2023)
10.34680/2076-8052.2023.3(132).365-373

4. Муратова Е.Н., Мошников В.А., Врублевский И.А., Алешин А.Н., Максимов А.И. Исследование и выбор режимов кристаллизации растворов гибридных галогенидных перовскитов состава CH3NH3PbI3 IV Всеcоюзный Конгресс по сенсорике и экономике «Сенсорное слияние-2023», сборник докладов (год публикации - 2023)

5. Муратова, Е.Н., Мошников В.А., Алешин А.Н., Врублевский И.А., Лушпа Н.В., Тучковский А.К. Исследование и оптимизация процессов кристаллизации растворов гибридных галогенидных перовскитов состава CH3NH3PbI3 физика и химия стекла, 2023, том 49, № 6, с. 662–671 (год публикации - 2023)
10.31857/S013266512360022X

6. Муратова, Е.Н., Мошников В.А., Алешин А.Н., Врублевский И.А., Лушпа Н.В., Тучковский А.К. Research and optimization of crystallization processes of solutions of hybrid halide perovskites of the CH3NH3PbI3 сomposition Glass Physics and Chemistry, Vol. 49, No. 6, pp. 672–679 (год публикации - 2023)
10.1134/S1087659623600357

7. Овезов М. К., Рябко А. А., Алешин А. Н., Мошников В. А., Кондратьев В.М., Максимов А. И. Вольтамперные характеристики перовскитных пленок MaPbI3, сформированных одностадийным методом центрифугирования Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки, № 4, том 16 (год публикации - 2023)

8. Букреев А.П., Е.Н. Муратова Е.Н., Мошников В.А. Облучение пленок структуры перовскита заряженными частицами Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов, Вып. 15, С.75-84 (год публикации - 2023)
10.26456/pcascnn/2023.15.075

9. Халугарова К., Спивак Ю. М., Мошников В. А. Особенности формирования иерархических пористых наночастиц оксида никеля методом зеленого синтеза Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника, Халугарова К., Спивак Ю. М., Мошников В. А. Особенности формирования иерархических пористых наночастиц оксида никеля методом зеленого синтеза // Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2024. Т. 27, № 6. С. х–х (год публикации - 2024)
10.32603/1993-8985-2024-27-6-х-х

10. Безверхний В.П., Гагарина А.Ю., Муратова Е.Н., Максимов А.И., Мошников В.А. Исследование оптических свойств легированных металлами перовскитных нанокристаллов CsPbX3 Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов, Безверхний В.П., Гагарина А.Ю., Муратова Е.Н., Максимов А.И., Мошников В.А. Исследование оптических свойств легированных металлами перовскитных нанокристаллов CsPbX3 // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. Тверь: Издательство Тверского государственного университета, 2024. Вып.16. (год публикации - 2024)

11. Козодаев Д.А., Муратова Е.Н., Мошников В.А. От нанотехнологии к наноархитектонике СПбГЭТУ «ЛЭТИ», Козодаев Д.А., Муратова Е.Н., Мошников В.А. От нанотехнологии к наноархитектонике // 79-я научно – техническая конференция, посвящённая Дню радио, апрель 2024 г. Материалы конференции. Спб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2024, с. 350-352 (год публикации - 2024)

12. Овезов М. К., Рябко А. А., Алешин А. Н., Мошников В. А., Кондратьев В. М., Максимов А. И. ВОЛЬТАМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕРОВСКИТНЫХ ПЛЕНОК MaPbI3, СФОРМИРОВАННЫХ ОДНОСТАДИЙНЫМ МЕТОДОМ ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЯ Cанкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Овезов М. К., Рябко А. А., Алешин А. Н., Мошников В. А., Кондратьев В. М., Максимов А. И. Вольтамперные характеристики перовскитных пленок mapbi3, сформированных одностадийным методом центрифугирования // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки. 16 (4) 2023 St. Petersburg State Polytechnical University Journal. Physics and Mathematics. 2023. Vol. 16. No. 4 (год публикации - 2023)
10.18721/JPM.16401

13. Гагарина А.Ю. Безверхний В.П. Инфракрасная Фурье-спектроскопия композитов на основе полимерных материалов и нанокристаллов CsPbI3 М.: МОО СИПНН, Гагарина А.Ю. Безверхний В.П. Инфракрасная Фурье-спектроскопия композитов на основе полимерных материалов и нанокристаллов CsPbI3 // Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2024». 2024. 4. 23 (год публикации - 2024)

14. Безверхний В.П., Гагарина А.Ю., Тучковский А.К., Врублевский И.А., Будник В. Исследование процессов получения иммерсионных покрытий олова на поверхности меди с развитой поверхностью ИТМО, СПб, Безверхний В.П., Гагарина А.Ю., Врублевский И.А., Будник В. Исследование процессов получения иммерсионных покрытий олова на поверхности меди с развитой поверхностью. // XIII Конгресс молодых ученых. СПб. 08 – 11 апреля 2024 г., С. 13590 (год публикации - 2024)

15. Гагарина А.Ю., Шумило М.В., Безверхний В.П. Исследования композиционных материалов на основе нанокристаллов CsPbI3 и пористых частиц sio2 методами ИК Фурье-спектроскопии СПбГЭТУ "ЛЭТИ". СПб., Гагарина А.Ю., Шумило М.В., Безверхний В.П. Исследования композиционных материалов на основе нанокристаллов CsPbI3 и пористых частиц sio2 методами ИК Фурье-спектроскопии // XII научно- практическая конференция с международным участием «наука настоящего и будущего» для студентов, аспирантов и молодых ученых. Санкт-Петербург. 16-17(18) мая 2024, стр. 56-57 (год публикации - 2024)

16. Муратова Е.Н., Пономарева А.А., Шемухин А.А., Балакшин Ю.В., Евсеев А.П., Мошников В.А., Жиленков А.А., Кичигина О.Ю. The Influence of the Structural Parameters of Nanoporous Alumina Matrices on Optical Properties Licensee MDPI, Basel, Switzerland, 8. Muratova, E.N., Ponomareva, A.A., Shemukhin, A.A., Balakshin, Y.V., Evseev, A.P., Moshnikov, V.A., Zhilenkov, A.A., Kichigina, O.Y. The Influence of the Structural Parameters of Nanoporous Alumina Matrices on Optical Properties. Metals 2024, 14, 651. https://doi.org/10.3390/met14060651 (год публикации - 2024)
10.3390/met14060651

17. Ненашев Г.В., Фокина Н.А., Дунаевский М.С., Алешин А.Н. Электрические свойства тандемных солнечных элементов на основе пленок металлоорганических перовскитов, нанесенных на тонкопленочные кремниевые солнечные элементы ФТИ им. А.Ф.Иоффе., Санкт-Петербург, Ненашев Г.В., Фокина Н.А., Дунаевский М.С., Алешин А.Н. Электрические свойства тандемных солнечных элементов на основе пленок металлоорганических перовскитов, нанесенных на тонкопленочные кремниевые солнечные элементы // Физика твердого тела, 2024, том 66, вып.2, С. 266 - 274 (год публикации - 2024)
10.61011/FTT.2024.02.57250.271

18. Мошников В, Муратова Е, Алешин А, Максимов А, Ненашев Г, Врублевский И, Лушпа Н, Тучковский А, Жиленков А, Кичигина О. Controlled Crystallization of Hybrid Perovskite Films from Solution Using Prepared Crystal Centers Licensee MDPI, Basel, Switzerland., 7. Moshnikov V, Muratova E, Aleshin A, Maksimov A, Nenashev G, Vrublevsky I, Lushpa N, Tuchkovsky A, Zhilenkov A, Kichigina O. Controlled Crystallization of Hybrid Perovskite Films from Solution Using Prepared Crystal Centers. Crystals. 2024; 14(4):376. https://doi.org/10.3390/cryst14040376 (год публикации - 2024)
10.3390/cryst14040376

19. Ненашев Г. В., Алешин А. Н., Рябко А.А. , Щербаков И.П. , Мошников В.А. , Муратова Е.Н. , Кондратьев В.М. , Врублевский И.А. Effect of barium doping on the behavior of conductivity and impedance of organic-inorganic perovskite films Elsevier Ltd., G. V. Nenashev, A. N. Aleshin, A.A. Ryabko, I. P. Shcherbakov, V. A. Moshnikov, E. N. Muratova, V. M. Kondratev, I. A. Vrublevsky, Effect of barium doping on the behavior of conductivity and impedance of organic-inorganic perovskite films // Solid State Communications, Vol. 388, 2024,P.115554, https://doi.org/10.1016/j.ssc.2024.115554 (год публикации - 2024)
10.1016/j.ssc.2024.115554

20. Буй К.Д., Налимова С.С., Мошников В.А., Нгуен Д.Т.. Нгуен В.Т.А. Подходы к синтезу G-C3N4 для межфазного молекулярного дизайна в перовскитных солнечных элементах ООО "Издательство "Новые технологии", Буй К.Д., Налимова С.С., Мошников В.А., Нгуен Д.Т.. Нгуен В.Т.А. Подходы к синтезу G-C3N4 для межфазного молекулярного дизайна в перовскитных солнечных элементах // Нано- и микросистемная техника, Том 26, № 3, 2024, С. 136-144 (год публикации - 2024)
10.17587/nmst.26.136-144

21. Безверхний В.П., Врублевский И.А., Тучковский А.К., Лушпа Н.В. Гагарина А.Ю. Муратова Е.Н. Способ получения и исследование характеристик наноразмерного слоя оксида титана для транспортного слоя носителей n-типа фотовольтаической ячейки ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, Муратова Е.Н., Безверхний В.П., Мошников В.А., Врублевский И.А., Тучковский А.К., Лушпа Н.В. Гагарина А.Ю. Способ получения и исследование характеристик наноразмерного слоя оксида титана для транспортного слоя носителей n-типа фотовольтаической ячейки // ФизикА.СПб: тезисы докладов международной конференции, 21–25 октября 2024 г. — СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2024. Том 1, стр. 138-139 (год публикации - 2024)

22. Муратова Е.Н., Мошников В.А. Оценка влияния технологических условий на фрактальные характеристики слоев перовскитных солнечных элементов МИЭТ , Муратова Е.Н., Мошников В.А. Оценка влияния технологических условий на фрактальные характеристики слоев перовскитных солнечных элементов // первая международная конференция «Functional Chalcogenides: Physics, Technology and Applications», 23 по 27 июня 2024г., г. Зеленоград, С.6. (год публикации - 2024)

23. Тюлягин П.Е., Муратова Е.Н., Козодаев Д.А., Мошников В.А. Влияние подготовки алюминиевой фольги на морфологию мембран на основе пористого оксида алюминия Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II, Тюлягин П.Е., Муратова Е.Н., Козодаев Д.А., Мошников В.А. Влияние подготовки алюминиевой фольги на морфологию мембран на основе пористого оксида алюминия // Международный Семинар «Нанофизика и Наноматериалы», 20 - 21 ноября 2024 г. Санкт-Петербург, с.235-240. (год публикации - 2024)

24. Безверхний В., Муратова Е., Гагарина А. Synthesis of CsPbI3 Quantum Dots, Creation of Coatings Based on Them and Analysis of Radiation Resistance IEEE, Saint Petersburg, Russian Federation, Bezverkhniy V., Gagarina A., Muratova E. Synthesis of CsPbI3 Quantum Dots, Creation of Coatings Based on Them and Analysis of Radiation Resistance // Conference of Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElCon), Saint Petersburg, Russian Federation, 2024, pp. 533-535 (год публикации - 2024)
10.1109/ElCon61730.2024.10468210.

25. Козодаев Д.А., Мошников В.А., Муратова Е.Н., Соломонов А.В., Трусов М.А. Объединенный центр сканирующей зондовой микроскопии ООО «НТ-МДТ» –¬ СПбГЭТУ «ЛЭТИ в области радиоэлектроники – центр нового типа для решения приоритетных задач СПбГЭТУ "ЛЭТИ", Козодаев Д.А., Мошников В.А., Муратова Е.Н., Соломонов А.В., Трусов М.А. Объединенный центр сканирующей зондовой микроскопии ООО «НТ-МДТ» –¬ СПбГЭТУ «ЛЭТИ в области радиоэлектроники – центр нового типа для решения приоритетных задач // Инновации. № 1 (297) 2024, С. 10-18 (год публикации - 2024)

26. Азизов А.Р., Муратова Е.Н. Методики улучшения стабильности перовскитных структур ИТМО. КМУ, Азизов А.Р., Муратова Е.Н. Методики улучшения стабильности перовскитных структур // XIII Конгресс молодых ученых. СПб. 08 – 11 апреля 2024 г. С. 13809 (год публикации - 2024)

27. Балабанов С. В., Безверхний В. П., Бобков А. А., Врублевский И. А., Гагарина А. Ю., Козодаев Д. А., Лушпа Н. В., Максимов А. И., Мошников В. А., Муратова Е. Н., Новиков И. А., Радайкин Д. Г., Сапурина И. Ю., Спивак Ю. М., Сысоев Е. И., Сычев М.М., Тучковский А. К., Халугарова К., Щербаков А. Е. Наночастицы, наносистемы и их применение. Перспективные фотоактивные системы для солнечной энергетики Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», Наночастицы, наносистемы и их применение. Перспективные фотоактивные системы для солнечной энергетики / под ред. В. А. Мошникова, Е. Н. Муратовой. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2024. 247 с. (год публикации - 2024)

28. Муратова Е.Н.; Мошников, В.А.; Жиленков, А.А. Development of Model Representations of Materials With Ordered Distribution of Vacancies Licensee MDPI, Basel, Switzerland (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В ходе выполнения проекта на втором году были установлены следующие факты и результаты: Формирование TiOx с частичным окислением алюминия позволяет получать анодные оксидные пленки с низким удельным сопротивлением в диапазоне от 0,30 до 0,50 μΩ·m и электронным типом проводимости. Результаты исследования вольт-амперных характеристик тонких пленок TiO2, полученных методом анодного окисления показали высокую концентрацию носителей заряда, режим токов, ограниченных пространственным зарядом наблюдается лишь при снижении температуры до 160 К и 100 К. Высокая концентрация носителей заряда пленок TiO2 обеспечило удельное сопротивление пленок на уровне 108 Ом·см, что на 4-5 порядков ниже сопротивления стехиометрического TiO2. Пленки TiO2, полученные анодным окислением, могут быть успешно использованы для фотовольтаических структур по результатам исследования электропроводности. Добавление в раствор MAPbI3 диэтиламмония йодида приводит формированию неперовскитной фазы с включением катиона диэтиламмония в кристаллическую структуру. Катионы диэтиламмония могут быть использованы для балансировки фактора толерантности Гольдшмидта с катионами меньшего ионного радиуса. Использования моноэтаноламмония йодида обеспечивает управление оптической шириной запрещенной зоны за счет встраивания в кристаллическую решетку перовскита. Исследования влияния легирования барием на свойства тонких пленок органо-неорганического перовскита CH3NH3PbI3 показали сильную зависимость проводимости от температуры. Обнаружены значительные различия в энергиях запрещенной зоны, светопоглощающей способности и фотолюминесценции, что указывает на повышение кристаллического совершенства материалов при легировании. Облучение перовскитных пленок гамма-частицами, электронами и кластерами аргона привело к уменьшению отклика на свет и увеличению напряжения заполнения ловушек. Более того, облучение структуры перовскита гамма-излучением оказывает еще более выраженное влияние на коэффициент пропускания, приводя к его значительному снижению. Выявленное изменение пропускания перовскитных структур после облучения делает их перспективными для использования в солнечных элементах. Это вызывает интерес особенно в контексте космического применения, где деградация солнечных элементов играет ключевую роль. На данный момент опубликовано и принято к изданию 16 научных статей. В том числе несколько работы изданы в журналах с квартилем Q1. Также результаты опубликованы в монографии и в 14 тезисах докладов, представленных на научных конференциях различного уровня. Подана заявка на патент.

Публикации