Перовскитные солнечные модули для низкоорбитальных космических аппаратов: разработка технологии и сертификация

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 24-62-00022

НазваниеПеровскитные солнечные модули для низкоорбитальных космических аппаратов: разработка технологии и сертификация

Руководитель Теруков Евгений Иванович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" , г Санкт-Петербург

Конкурс №93 - Конкурс 2024 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по поручениям (указаниям) Президента Российской Федерации» (междисциплинарные проекты)

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

Ключевые слова Перовскитные материалы; Солнечные элементы для кубсатов; Кубсаты; Радиационная и термическая стойкость солнечных элементов;

Код ГРНТИ29.19.31, 29.31.27, 31.21.19

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Орбитальная группировка микроспутников формата кубсат стремительно набирает свою численность. В настоящее время орбитальные спутники становятся предметом коммерческого интереса, что требует оптимальных технических решений. Энергообеспечение микроспутников в космическом пространстве обеспечивается генерацией солнечных батарей (СБ), однако применение высокоэффективных каскадных устройств А3В5 не является экономически рентабельным. СБ на основе перовскитных материалов являются перспективными источниками энергии с эффективностью конверсии до 26% для наземных условий. Для данного типа фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) используются тонкопленочные архитектуры, что позволяет добиться высокой удельной мощности преобразования света в электричество. Применение жидкофазных технологических процессов обеспечивает совместимость с тонкими легковесными подложками. Тем не менее, по сравнению с другими практическими космическими полупроводниками, такими как Si и AIII-BV (на основе каскадных фотопреобразователей), исследования перовскитных СБ для космического применения находятся лишь в начальной стадии. Текущий научно-технический задел в области не имеет комплексного характера, а проводимые исследования направлены анализ отдельных факторов влияния космического пространства: (i) фазовые переходы в материалах при термическом циклировании и радиационном воздействии; (ii) изменения приборных характеристик перовскитных фотоэлектрических преобразователей при низких и высоких температурах; (iii) технологии получения устройств, демонстрирующих стабильные характеристики при градиенте температур и воздействии радиации. Космическое пространство характеризуется высоким вакуумом и экстремальным диапазоном изменения температуры. Помимо повышенной энергетической освещенности на орбите (>1300 Вт/м2), электромагнитный фон характеризуется высокоэнергетическими заряженными частицами и лучами (гамма-лучи, ультрафиолетовое излучение, протоны и электроны). Ключевые факторы деградации перовскитной фотовольтаики – коррозия интерфейсов при воздействии тепла и света будут усиливаться в более жестких условиях околоземного пространства. В космических условиях рассеивание тепла ослаблено, поэтому температура устройств под прямыми солнечными лучами может достигать 100–130 °C, в то время как в тени она может опускаться ниже -100 °C [Solar Energy Materials and Solar Cells, 182, 121, (2018)]. Комплексное улучшение полупроводниковых свойств галогенидных перовскитов и устройств на их основе требует методов точного контроля, новых подходов к подавлению процессов коррозии и адаптации технологии получения СЭ для применения в космосе. Несмотря на появляющиеся сообщения о феномене радиационной стойкости галогенидных перовскитов к данному типу материалов не сформулированы требования качества перовскитных пленок и зарядопереноса для применений в космосе. В данном проекте научный коллектив ставит амбициозную цель проведения комплексных исследований природы дефектов в перовскитных ФЭП, сформированных воздействием факторов космического пространства, а также установить связь изменениями фазового состава пленок и времен жизни фотоносителей. Аналитическая информация будет использована для реализации новых технологический подходов получения перовскитных солнечных модулей с многослойными стабилизированными структурами перовскит/ультратонкий диэлектрик, перовскит/ультратонкий оксидный полупроводник, перовскит/слоистый перовскит. Будет разработан технологический цикл получения перовскитных солнечных модулей на радиационно-стойких стеклах с применением перспективных технологических процессов slot die нанесения, ионно-лучевого напыления и химического газофазного осаждения. В задачи входит комплекс лабораторных испытаний, а также получение летной характеристики на орбите.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В ходе работ по проекту были разработаны новые подходы и технологические способы получения тонкопленочных гетероструктур с гибридными перовскитами, обеспечивающими повышенную термическую стабильность фазового состава и транспортных свойств в условиях, имитирующих космическое пространство. - Был разработан процесс нанесения перовскита с удалением растворителей методом вакуумной вспышки VASP (vacuum flash–assisted solution process) и VASP система. VASP позволяет наносить слои органических материалов, таких как перовскит, PCBM, BCP и пр. при комнатной температуре на широкоформатных подложках размером до 10 х 10 см2 и выше. Преимуществом метода обработки VASP является возможность обработки прекурсоров полученных разными методами нанесения, такими как центрифугирование, слот-матричная печать и пр. и совместимость с промышленными производственными процессами «sheet-to-sheet». - Был разработан способ синтеза и введения слоистого перовскита AVA2FAPb2I7 в объём перовскитной пленки. Синтез 2D перовскита осуществлялся методом механоактивации в планетарной мельнице. - Были проведены исследования внедрения пассивирующих диэлектрических и полупроводниковых оксидных прослоек в ФЭП с конфигурациями перовскит/диэлектрик и перовскит/оксидный полупроводник. Показано, что использование прослоек оксида алюминия и оксида олова повышает стабильность многослойных ФЭП на основе перовскита. - Была исследована морфология, шероховатость и степень зернистости пленок IBS NiOx, CsFA и CsFA-AVAI с помощью атомно-силовой микроскопии. Методом Кельвин-зонд микроскопии исследован фотопотенциал плёнок CsFaPbI3 и обнаруженных в них дендритных неоднородностей при освещении. - С помощью метода время-разрешённой фотолюминесцентной спектроскопии (TRPL) проведены исследования образцов при различной температуре, после термоциклирования, после облучения быстрыми электронами и после воздействия глубокого вакуума. Были охарактеризованы перовскитные пленки различных перовскитных композиций, в том числе со слоистыми перовскитами, а также с защитными покрытиями при комнатной температуре и при постепенном понижении до -110 С с шагом 20 С. Важно отметить, что методом TRPL при изменении температуры не было обнаружено отклонение характера спада люминесценции от аппроксимации по модели ABC для рассматриваемых перовскитных композиций с и без защитных покрытий - то есть в системах отсутствовали заряды в связанном состоянии даже при низких температурах, что чрезвычайно важно для использования в дальнейшем солнечных элементов с перовскитами для выработки электричества в условиях космического пространства. По результатам внешнего квантового выхода фотолюминесценции было определено, что для референсного образца после термоциклирования наблюдаются снижение PLEQE, вероятно, это происходит из-за деградации пленок. Напротив, образец, модифицированный слоистым перовскитом 5-AVAI после термоциклирования имел максимальное значение квантового выхода фотолюминесценции - 0.9%, что может быть связано с термокристаллизацией данного перовскита. Немодифицированный слоистым перовскитом стандарт вероятно после термоциклирования имеет большее число центров рекомбинации, поэтому его фотолюминесцентные свойства не отличаются высоким квантовым выходом при возбуждении 405 нм лазером. - Было проведено исследование процессов коррозии на гетерогранице перовскит/медь и сопутсвующих процессов разложения гибридного перовскита состава CsFA в структуре, имитирующей ФЭП (ITO/CsFA/Cu). - Были созданы структуры ФЭП с использованием оксида вольфрама. Максимальное значение плотности тока короткого замыкания достигнуто на конфигурации C60/WO3 со значением 22,5 мА/см2, максимальное напряжение холостого хода было достигнуто на конфигурации C60/WO3/BCP:Mx со значением 1,06 В. - Проведенный анализ показал принципиальные различия в механизмах деградации традиционных (A3B5, HJT Si) и перовскитных (CsFAPbI3) солнечных элементов (ФЭП) под влиянием космической среды. Для классических материалов (Si, A3B5) ключевым фактором ухудшения параметров является образование вакансий и междоузельных комплексов при облучении протонами и электронами, что сокращает время жизни неосновных носителей и снижает ток короткого замыкания, напряжение холостого хода и фактор заполнения. В перовскитных ФЭП деградация обусловлена ионной природой и смешанным галогенидным составом, приводящим к формированию дефектных кластеров на границах зерен и фазовой сегрегации. Концентрации ионных дефектов достигают ~3×10^15 см^–3, что требует пассивации и снижения энергии активации (Ea), связанной с ловушечными состояниями (0,71 эВ для опорных, 0,67 эВ для "перовскит-слоистый перовскит" (П-СП) конфигураций). Снижение концентрации ловушек до <10^14 см^–3 является ключевым для достижения высоких КПД. - Прототипирование p-i-n CsFAPbI3 ФЭП с различными фотоактивными слоями (П-СП AVA2FAPb2I7, перовскит/Al2O3, перовскит/SnO2, перовскит/WO3) и адаптация технологии на радиационно-стойком стекле К208, включая напыление ITO-анода и интеграцию на платах с контактными шинами, позволили получить КПД до 20,1% для опорной конфигурации в условиях 1.5 AM G. П-СП конфигурации первоначально имели КПД ~17%, но введение высокопроводящей добавки Ti3C2 повысило ток (до 25 мА/см^2) и КПД до 20,8%. При условиях АМ0 достигнуто ~17% КПД и ток короткого замыкания ~31 мА/см^2. - Спектральный анализ внешней квантовой эффективности показал, что для улучшения характеристик в ближней ИК-области необходима оптимизация электронно-транспортного интерфейса и подавление заряженных ловушек электронов. Диодные модели подтверждают улучшение стабильности при термоциклировании П-СП ФЭП.

Публикации

1. А. Махмудпур, П. А. Алексеев, А. Фурасова, С. Макаров Mechanism of resistive state switching in a non-filamentary memory devices made of halide perovskite St. Petersburg Polytechnic University Journal. Physics and Mathematics. Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки, St. Petersburg Polytechnic University Journal. Physics and Mathematics. 2025. Vol. 18. No. 3.2 Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки. 18 (3.2) 2025 (год публикации - 2025)
10.18721/JPM.183.202

2. Лучников Л.О., Ильичева Е. А., Воронов В.А., Алексеев П.А., Дунаевский М.С., Калиниченко В., Иванов В., Фурасова А.Д., Крупанова Д.А., Текшина Е.В., Козюхин С. А., Муратов Д.С., Сухорукова П. К., Воронова М.И. , Саранин Д. С., Теруков Е И. Stabilization of interfaces for double-cation halide perovskites with AVA2FAPb2I7 additives Applied Surface Science (год публикации - 2025)
10.1016/j.apsusc.2025.164693

3. Абольфазл М., Алексеев П. А., Гасникова К. А., Кузьменко Н., Ларин А., Макаров С. В., Фурасова А.Д. Halide perovskite volatile unipolar nanomemristor Opto-Electronic Advances (год публикации - 2025)
10.29026/oea.2025.250110

4. Фурасова А., Крассас М., Тунтас М., Хмелевская Д., Логунов Л., Жирихин Д., Кимакис Э., Макаров С. Photovoltaic parameters improvement via size control of monodisperse Mie-resonant nanoparticles in perovskite solar cells Chemical Engineering Journal, Volume 493, 1 August 2024, 152771 (год публикации - 2024)
10.1016/j.cej.2024.152771

5. Фурасова А. Д. Mie-resonant nanoparticles for light absorption improvement of perovskite photodetectors Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, issue 3, volume 88 (год публикации - 2024)

6. М.С. Дунаевский, П.А. Алексеев, А.Н. Смирнов, П.А. Гостищев, Д.О. Грень, А.Д Фурасова, Д.С. Саранин, Е.И. Теруков Дендритные структурные неоднородности в тонких слоях Cs0.2FA0.8PbI2.93Cl0.07 для перовскитных солнечных элементов Физика и Техника Полупроводников (год публикации - 2024)

7. А. Фурасова,Ю. Андреева, Ю.Син, С.Чен, В.Кондратьев, К.Сонг, И.Важенин, Е.Степаниденко, В.Гончаров, С.Черевков, Д.Пермяков, Д.Жирихин, С.Макаров Structural colouring and luminescence anisotropy of perovskite thin films via laser-induced periodic surface structure formation Light: Advanced Manufacturing (год публикации - 2025)
10.37188/lam.2025.062

8. Андрианов А.В, Теруков Е.И, Алешин А.Н, Аболмасов С.Н. Проявление эффекта экранирования электрического поля в процессе генерации терагерцевого излучения в p−n-гетероструктурах a-Si:H/a-SiC:H/c-Si при фотовозбуждении ультракороткими лазерными импульсами Письма в журнал технической физики, том 51, выпуск 10, стр.22-26 (год публикации - 2025)
10.61011/PJTF.2025.10.60327.20232

9. Теруков Е.И., Атабоев О.К.,Малевский Д.А., Панайотти И. Е., Кочергин А.В ., Шахрай И.С Исследование температурной зависимости световых вольтамперных характеристик кремниевых гетероструктурных солнечных элементов Письма в ЖТФ (год публикации - 2025)