Разработка высокоэффективных и стабильных фотоактивных материалов для преобразования широкой области оптического спектра в тандемных кремний-перовскитных солнечных батареях

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 23-72-01114

НазваниеРазработка высокоэффективных и стабильных фотоактивных материалов для преобразования широкой области оптического спектра в тандемных кремний-перовскитных солнечных батареях

Руководитель Парфёнова Ольга Робертовна, кандидат наук (признаваемый в РФ PhD)

Организация финансирования, регион Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования «Сколковский институт науки и технологий» , г Москва

Конкурс №84 - Конкурс 2023 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-202 - Полупроводники

Ключевые слова фотовольтаика, тандемные солнечные батареи, тандемы, перовскитные солнечные батареи, комплексные галогениды свинца, стабильность

Код ГРНТИ44.41.35

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Текущим лидером по эффективности в коммерческих солнечных батареях остается кремний, на долю которого приходится более 92% мирового производства. Эффективность преобразования энергии (PCE) коммерческих кремниевых панелей достигает 22,8%. Однако дальнейший рост производительности и снижения себестоимости требуют совершенствования фотоэлектрических технологий. Значения PCE стандартных однопереходных солнечных элементов ограничены теоретическим пределом Шокли-Квиссера, составляющим около 33%. Наиболее перспективными для повышения эффективности являются многопереходные солнечные элементы которые состоят из двух и более последовательных субъячеек и преобразовываю в энергию значительно большую часть солнечного спектра. Тандемные солнечные элементы (TSCs) на основе кремния обладают значительными преимуществами, включая высокую стабильность кремниевых элементов и снижающуюся себестоимость производства. При этом такие устройства обладают более высоким теоретическим пределом PCE 44%. Использование сочетания кремниевой нижней субъячейки и комплексных галогенидов свинца перовскитной структуры (далее «перовскит») в качестве фотоактивного материала верхней субъячейки является наиболее перспективным направлением, так как перовскитная фотовольтаика позволит увеличить эффективность с минимальным увеличением себестоимости. Оптические характеристики перовскитных материалов легко измененяемы варьированием их химического состава, а эффективность кремний-перовскитных устройств уже превышает 30% для лучших лабораторных образцов. В двухпереходных (тандемных) солнечных элементах используется кристаллический Si с шириной запрещенной зоны около 1,12 эВ в качестве нижней субъячейки, отвечающей за поглощение длинноволновой части спектра, и перовскит с шириной запрещенной зоны в диапазоне 1,65-1,75 эВ как поглотитель коротковолновой части света. Однако несмотря на многообещающие PCE, основной проблемой на пути коммерциализации кремний-перовскитных тандемов остается низкая стабильность устройств, связанная с деградацией перовскитного материала. Гибридные галогениды перовскита уязвимы для многих внешних факторов. Негативное воздействие воды и кислорода решается путем инкапсуляции устройства. Однако свет, тепло и электрическое поле, неизбежны в условиях работы солнечной батареи. Свет инициирует миграцию ионов и реакцию между перовскитом и соседними зарядово-транспортными слоями. Под действием света протекает фазовая сегрегация полианионных перовскитов, что приводит к образованию фаз с низкой шириной запрещенной зоны, которые становятся ловушками для носителей заряда. А нагрев устройства вызывает разложение перовскита и фазовые переходы, что приводит к деградации солнечных батарей. Заявляемый проект направлен на повышение стабильности фотоактивных материалов на основе перовскитов с высокими показателями эффективности для применения в кремний-перовскитных тандемных солнечных элементах. Планируется использовать тщательную химическую инженерию и стабилизирующие добавки для получения перовскитных материалов с повышенной стабильностью. Также будет исследовано влияние границ раздела между перовскитом и соседними зарядово-транспортными слоями на стабильность устройств. Залогом успешной реализации данного проекта является наличие задела в области создания стабильных перовскитных солнечных батарей, подтвержденного публикациями в ведущих научных журналах. Руководитель имеет доступ к современному оборудованию Центра энергетических технологий Сколковского института науки и технологии, охватывающему полный цикл создания и характеризации многослойных устройств. В рамках данного проекта планируется разработать стабильные фотоактивные материалы для верхних субъячеек тандемных солнечных батарей на основе комплексных галогенидов свинца перовскитной структуры с высокими эффективностями (> 25% в тандемах и > 15% в индивидуальных субъячейках) и долговременной стабильностью.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Болдырева А.Г., Теплякова М.М., Новиков А.В., Петров В.Г., Парфёнова О., Голубничий А.А., Васильев А., Саранин Д., Стивенсон К.Д. Effect of gamma-rays on recombination dynamics and defect concentration in a wide bandgap perovskite Light: Advanced Manufacturing, Light: Advanced Manufacturing, volume 5, issue 4, article number 53. Pages 614-623 DOI: 10.37188/lam.2024.053 (год публикации - 2024)
10.37188/lam.2024.053

2. Элакшар А., Парфёнова О.Р., Джоусе-Иванина С.А., Новиков А.В., Гольт А.Е., Гладуш Ю.Г., Красников Д.В., Терюков Е.И., Насибулин А.Г. Single-Walled Carbon-Nanotube-Based Semitransparent Wide-Bandgap Perovskite Solar Cell for Four-Terminal Tandems Solar RRL, Online Version of Record before inclusion in an issue 2400762 (год публикации - 2024)
10.1002/solr.202400762

3. Софья А. Джоусе-Иванина, Артём В. Новиков, Пётр Грищенко, Илья Н. Крупатин, Марина М. Теплякова, Илья Е. Кузнецов, Александр В. Аккуратов, Сергей Ю. Лучкин, и Ольга Р. Парфёнова Enhancing the MA-free mixed halide perovskite efficiency and stability through bi-solvent engineering approach Light: Advanced Manufacturing (год публикации - 2025)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
По результатам второго года были исследованы 2 варианта конфигураций солнечных ячеек N-i-P и P-i-N на предмет фотостабильности. Было показано, что более высокую стабильность демонстрируют ячейки конфигурации N-i-P в связи с используемыми зарядово-транспортными материалами, в частности проблемы со стабильностью P-i-N конфигурации связаны с использованием производных фуллерена как электрон-транспортных слоев. Далее было исследовано 9 различных соединений и их комбинаций в качестве электрон-транспортных слоев солнечных ячеек. Для каждого материала была проведена оптимизация параметров нанесения тонких пленок из раствора методом спинкоутинга для формирования однородной структуры и фазы. В результате были изготовлены образцы солнечных ячеек и измерены их вольтамперные характеристики. Далее был проведен сравнительный анализ эксплуатационной стабильности фотоэлементов, в ходе которых отслеживалось изменение их характеристик. В результате был сделан вывод, что необходим поиск дырочно-транспортных материалов, которые могли бы выступить дополнением к достаночно стабильному оксиду олова (или магния), повысили эффективность устройств (в первую очередь за счет выравнивания энергетических уровней между материалами) и при этом не оказывали негативного влияния на стабильность. По нашему предположению, подходящими кандидатами могли бы выступить полимерные материалы или самособирающиеся мономолекулярные слои. Также было протестировано 6 комбинаций дырочно-транспортных материалов. Данные устройства были также исследованы на предмет фото- и термо-деградации, где отслеживалась динамика изменения эффективности устройств от времени воздействия. В результате эксперимента было мы пришли к выводу, что наилучшей комбинацией дырочно-транспортного слоя является сочетание полимерной пленки, которая будет химически инертна к компонентам перовскитного материала и/или его продуктам деградации, и толстой пленки оксида, которая будет служить непроницаемым барьером для возможных продуктов деградации, создавая замкнутую систему. Были протестированы тонкие слои металлов в качестве прозрачных электродов верхних субъячеек в кремний-перовскитном тандеме. В результате мы показали, что наилучшим вариантом для максимального сохранения эффективности и стабильности перовскитной ячейки является алюминий, однако для повышения эффективности всего тандема в целом предпочтительнее золото, так как алюминий обладает большим отражающим эффектом и сильнее понижает эффективность затененной кремниевой ячейки. Идеальным вариантом, как мы считаем, может стать сочетание тонкого слоя металла со слоем или сеткой из высокопроводящих нанотрубок, которые могли бы служить токосъемником для лучшей проводимости. Более того, углеродные материалы обладают высокой стабильностью по отношению к компонентам перовскитных солнечных ячеек. В результате за второй год работы по проекту нам удалось создать четырех-терминальный кремний-перовскитный фотоэлемент на основе широкозонного материала с эффективностью 24,4%. Дополнительно, в завершение работ по первому году проекта мы создали перовскитный солнечный минимодуль с эффективностью 10,7%, общей площадью 25 см2 и эффективной площадью 12 см2. По результатам второго года работ по проекту опубликовано 3 статьи и подготовлена к публикации еще одна статья, которая на момент 15 мая находятся на рассмотрении в международном Q1 журнале. Также изготовленный минимодуль был представлен на КМУ 2024 в рамках выставки РНФ, с соответствующей публикацией в телеграм-канале РНФ (https://t.me/RSF_news/1918).

Публикации