Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В ходе работ по проекту были разработаны новые подходы и технологические способы получения перовскитных тонких пленок и солнечных элементов на их основе для задач выработки электричества в условиях низкой освещенности и были определены их физические характеристики: i) Были синтезированы перовскитные пленки различного состава с шириной запрещенной зоны от 1.56 эВ до 2,26 эВ за счет изменения пропорций катионов и анионов в составе поликристаллических пленок. Все представленные образцы пленок в текущем проекте не проявляли фотосегрегации. Перовскитные пленки состава MAPbI3 были синтезированы несколькими методиками: в комнатных условиях, в атмосфере ультрасухого азота, а также при использовании различных растворителей с целью определения влияния способа изготовления перовскитных пленок одного состава на их оптические и фотоэмиссионные свойства. ii) Произведена оптическая характеризация полученных перовскитных пленок: определены их ширины запрещенной зоны по правилу Урбаха, определены их показатели преломления и экстинкции методом эллипсометрии. Продемонстрировано на примере перовскитных пленок MAPbI3 , что способ синтеза не влияет существенно на ширину запрещенной зоны, однако параметры n(λ) и k(λ) могут заметно расходиться для одного и того же перовскита, что существенно влияет на оптические свойства и генерацию зарядов в солнечных элементах. iii) Определены фотоэмиссионные показатели разработанных перовскитных пленок различного состава: квантовый выход фотолюминесценции в зависимости от подаваемой мощности, константы спада фотолюминесценции. PLEQE отдельно для пленок MAPbI3, синтезированных в комнатных условиях и в сухом азоте. Их параметры крайне близки с точки зрения появления Оже рекомбинации при при накачках выше 0,1 В/см2, после которого значение PLEQE выходит на плато, для FAPbBr3 Оже рекомбинация приводит к гашению при этом для перовскитов смешанного состава Оже процесс выражено не наблюдался даже при мощности источника 1.6 Вт/см2. Значение PLEQE максимально для поликристаллических пленок состава FAPbBr3 - выше 2% при мощности источника света 0.4 Вт/см2. Для образцов на основе квантовых точек CsPbBr3 зависимость PLEQE от мощности находится еще в более острой зависимости от способа синтеза пленок и приближается к 100% для пленок, полученных методом центрифугирования, минимально для пленок, полученных методом щелевой экструзии. Время-разрешённая фотолюминесцентная спектроскопия (TRPL) показала, что для перовскитных пленок, синтезированных в атмосфере азота, константы рекомбинации ближе к друг другу по значениям, чем между пленками одного и того же состава, особенно это касается долей n0_eh и n0_ex. Кроме того, пленки MAPbI3, где в качестве антирастворителя использовался диэтиловый эфир, имеют очень выраженный колебательный спектр, очень отличающийся от остальных типов пленок. Вероятно, диэтиловый эфир способствует слишком быстрой кристаллизации перовскита, что делает данные пленки гораздо толще, что сильно уменьшает его параметр tau_EM - это соответствует высокой доле безызлучательной рекомбинации зарядов, что в дальнейшем привело к низким фотовольтаическим показателям для солнечного элемента на основе данного перовскита. iiii) Полученные пленки перовскитов также были измерены методом ИК спектроскопии (Bruker Tensor 27 FT-IR) с нарушением полного внутреннего отражения в диапазоне 4500 - 500 см-1 при комнатной температуре для определения спектральных особенностей колебательных частот и положений пиков приготовленных образцов. Для перовскитов FAPbBr3, MAPbI3 (синтезированные вне и в атмосфере азота с участием второго растворителя) сильный отклик от CH3–NH3+ наблюдался на 890 см− 1, выраженный особенно у пленки MAPbI3, где использовался диэтиловый эфир, но практически не наблюдается у трехкатионного перовкстита, вероятно из-за наличия Cs. У FAPbBr3 он также наблюдается, но есть небольшой сдвиг к 900 см− 1. Пики на 1200 и 1550 см− 1 относятся к колебаниям связей C–H и N–H. Пик 1435 см− 1 соответствует симметричному изгибу CH3 и выражен для всех перовскитов, но наиболее ярко у пленок MAPbI3. За ним следует асимметричные колебания NH3+ на 1539 см− 1. Пик на 3081 см− 1, присутствующий у MAPbI3 (изг. в сухом азоте), трехкатионного перовскита и MAPbI3+MABr (меньше всех) относится к растяжению NH3+. Не смотря на то, что пленки MAPbI3, синтезированные в комнатных условиях с участием диэтилового эфира имеют более выраженный спектр, сдвигов пиков по отношению к другим MAPbI3 в остальном не наблюдается - то есть это выраженность - различие в пропускании света из-за различной толщины. iiiii) На основе полученных перовскитных пленок были синтезированы солнечные элементы p-i-n структуры, были измерены их вольтамперные характеристики при стандартных измерениях - 100% AM 1,5 G, а также при 50% и 30% от мощности стандарта. Для образцов, которые продемонстрировали увеличение КПД при снижении мощности освещения, проводились измерения выходных характеристик при облучении образцов источником света 4000 К при 2000 и 1000 люкс. На текущий момент проекта наиболее результативными являются солнечные элементы с MAPbI3 пленками, полученными в атмосфере азота. На первый взгляд невысокое значение фактора заполнения не открывает потенциала для использования таких ПСЭ в условиях низкой освещенности, однако этот параметр увеличивается при понижении мощности источников света и становится максимальным (74.55%) при 4000K LED при освещении в 1000 люкс, а КПД при 2000 и 1000 люкс превышает 29%. По итогам первого года работ опубликовано 2 статьи в российских научных журналах, 1 работа находится на момент написания отчета (май 2025) в редакции журнала Light: Advanced Manufacturing (Q1), готовится еще одна работа (предварительное название “Optical Properties of Metal Halide Perovskites for Indoor Photovoltaics” ) в журнал уровня Q1. Все запланированные в отчетном году научные результаты достигнуты Ряд основных научных результатов данного этапа проекта представлен на следующих конференциях и научных мероприятиях: Nukus Innovation Institute, конференция MOST 2024 - META-OPTICS, FROM SCIENCE TO TECHNOLOGY (Самарканд, Узбекистан) Симпозиум с докладом “Indoor perovskite solar cells” (Циндао, КНР) Сколковский институт науки и технологий (Москва, Россия) СколТех, постерный доклад на конференции Matter and Materials (Москва, Россия)