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 25-63-00026

НазваниеПеровскитные субэлементы в составе каскадных фотоэлектрических преобразователей для применения в условиях космоса

Руководитель Гудилин Евгений Алексеевич, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

Конкурс №105 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по поручениям (указаниям) Президента Российской Федерации» (междисциплинарные проекты)

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов

Ключевые слова Солнечные элементы, каскадные, тандемные, перовскитные солнечные элементы, кремний, германий, гибридные галогеноплюмбаты, термоциклирование, радиационная стабильность, космос, искусственные спутники Земли

Код ГРНТИ31.15.19

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Недавнее открытие нового поколения материалов для солнечной энергетики – галогенидных перовскитов – во многом изменило картину текущих и прогнозируемых научно-технических исследований в области фотовольтаики. Перовскитные солнечные элементы (ПСЭ) имеют высокие шансы на переход к практическому использованию уже в обозримом будущем, в частности, в силу достижения значений КПД до 26.7%, а для тандемных фотоэлементов “перовскит / Si” – до 34.6%, что существенно превосходит рекордный КПД для доминирующего на рынке монокристаллического кремния (27.3%). Только в КНР в настоящее время зарегистрировано более 100 компаний, занимающихся производством перовскитных солнечных модулей и разработкой оборудования для их создания. На выставке SNEC-2024, проходившей в июле 2024 года в Китае китайские компании GCL, UtmoLight, Microquanta Semiconductors, Renshine Solar, Wonder Solar и Nuclear Solar представили пилотные промышленные образцы своей продукции и заявили о планах запуска производственных мощностей объемом до ГВТ в год в период 2025-2026 годов. Беспрецедентно высокая мощность, нормированная на единицу массы (до более чем в 10 раз выше существующих промышленных аналогов), и стойкость ПСЭ к радиации также делают их крайне перспективным компонентом каскадных фотоэлементов для космических применений. Как и для основной современной «космической» технологии – каскадных фотоэлектрических преобразователей на основе А3В5 полупроводников – шириной запрещённой зоны галогенидных перовскитов можно управлять в широких пределах при создании твердых растворов, что позволяет создавать эффективные каскадные фотоэлементы. При этом производство ПСЭ оценивается (и это подтверждается информацией указанных выше компаний) как более дешёвое в сравнении не только с А3В5, но и с кремнием. Ключевыми научно-технологическими задачами в области создания ПСЭ являются дальнейшее повышение КПД, улучшение их операционной стабильности и увеличение площади модулей без существенного ухудшения их приборных характеристик. Целью данного проекта является разработка лабораторных технологий создания тандемных солнечных элементов «перовскит / Si», «перовскит / Ge» и трёхкаскадных фотоэлементов «перовскит / GaAs / Ge» для их последующего применения в искусственных спутниках Земли. Литературные данные по данному классу устройств являются фрагментарными в сравнении с чрезвычайно активно разрабатываемыми «наземными» ПСЭ, в то время как экспериментальных работ, посвящённых созданию тандемов «перовскит / Ge» и «перовскит / GaAs / Ge» либо нет, либо крайне мало. К фотоэлементам, предназначенным для использования на орбите Земли, предъявляется ряд более строгих и специфичных требований, в частности, эффективное преобразование излучения спектра AM0, стойкость к ультрафиолету, стойкость к ионизирующему излучению и термоциклированию в широком диапазоне температур в вакууме. Для решения задач данного проекта будут объединены (1) научные компетенции мирового уровня коллектива МГУ (факультет Наук о материалах и НИИ Ядерной физики МГУ) в области химии и технологии создания перовскитных солнечных элементов (в том числе, «двухсторонних», применимых для создания тандемов), физико-химической характеризации материалов и оптоэлектронных устройств, методах вычислительной химии и в тестировании радиационной стабильности материалов; и (2) уникальный научный и инженерно-технологический потенциал предприятия АО «Сатурн» (г. Краснодар), которое разрабатывает и серийно производит для космических применений однопереходные солнечные элементы на основе кремния, а также единственное в России ведет разработку и серийное производство космических каскадных фотоэлементов «GaInP / GaAs / Ge», демонстрирующих КПД на уровне лучших мировых аналогов (до 30%). Результаты проекта имеют высокий потенциал прямого внедрения в производство для усовершенствования стратегически важного продукта, выпускаемого предприятием-соисполнителем проекта – солнечных батарей для искусственных спутников Земли.

Ожидаемые результаты
Разработка улучшенных фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) считается важной составляющей комплексного перехода к экологически чистому производству электроэнергии, что отражается в устойчивом росте мирового рынка солнечных батарей в последнее десятилетие (см. Photovoltaics Report — Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems, ISE with the support of PSE Projects GmbH, Freiburg, 29 July 2024, https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/documents/publications/studies/Photovoltaics-Report.pdf). Помимо этого, ФЭП являются основной и фактически безальтернативной частью энергосистем искусственных спутников Земли, рынок которых также ожидает взрывной рост на фоне реализации ряда амбициозных проектов по созданию всемирных телекоммуникационных спутниковых сетей и развития низкоорбитального интернета (напр. Starlink, One Web, «Бюро 1440»). Развитие отечественных технологий создания улучшенных компонентов космических аппаратов является чрезвычайно значимой задачей, в том числе, в рамках обеспечения национальной безопасности в области спутниковых телекоммуникационных технологий. В рамках данного проекта планируется разработать научные основы технологии создания многопереходных фотоэлектрических преобразователей с «верхними» перовскитными субэлементами для применения в космосе. В частности, будут разработаны солнечные элементы «перовскит / кремний», «перовскит / Ge», «перовскит / GaAs / Ge», а также непосредственно мало- и полноформатные прототипы таких устройств, испытанные в соответствии с рядом ключевых требований, предъявляемых к серийной продукции. Перечисленные типы устройств имеют высокий потенциал коммерциализации, поскольку формирование слоёв перовскитных фотоэлементов существенно дешевле, чем МОС-гидридная эпитаксия (MOCVD) А3В5-полупроводников, в то время как конечные приборные характеристики устройств на основе материалов данных классов могут быть сопоставимыми, что неоднократно продемонстрировано в современной научно-технической литературе. В сравнении как с MOCVD гетероструктур A3B5, так и с полным циклом создания более дешёвых фотоэлементов на основе кристаллического кремния – перовскитные тонкоплёночные фотоэлементы можно создавать с использованием многократно более быстрых и дешёвых производственных процессов. В результате этого, формирование верхнего перовскитного каскада не вносит существенного вклада в стоимость многопереходного солнечного элемента, что в литературе многократно подтверждается результатами технико-экономического анализа различных сценариев производства «наземных» солнечных модулей на основе гибридных перовскитов (см. раздел заявки 4.5). В контексте создания фотоэлементов для космических применений с использованием гибридных перовскитов целевыми результатами, имеющими прикладную значимость, являются (1) повышение КПД кремниевой технологии, до сих пор активно применяемой в России и за рубежом, без ущерба для стабильности устройств, (2) удешевление производства каскадных фотоэлементов на основе А3В5-полупроводников за счёт замены верхнего каскада – перовскитным – при сохранении требуемого уровня стабильности приборных характеристик. Таким образом, результаты проекта имеют потенциал непосредственного внедрения в производство для усовершенствования стратегически важного продукта, выпускаемого предприятием-соисполнителем проекта – солнечных батарей для искусственных спутников Земли. Согласно информации из открытых источников, в современных массовых телекоммуникационных спутниковых группировках (в частности, «Starlink»), преобладает использование кремниевых СЭ, несмотря на их низкую радиационную стойкость и меньшую мощность в сравнении с каскадными СЭ. Это в первую очередь связано с дороговизной производства и сложностью масштабирования производства каскадных А3В5-фотоэлементов. Таким образом, ожидается, что разрабатываемые в данном проекте перовскит-кремниевые тандемы будут чрезвычайно востребованы, поскольку позволят существенно увеличить КПД «космических» кремниевых солнечных элементов при незначительном увеличении полной стоимости энергоустановки, при этом радиационная стойкость таких устройств будет по-прежнему лимитирована кремниевым субэлементом. Также результаты разработки тандемов «перовскит / кремний» будут иметь высокую практическую значимость для развития отечественных технологий создания «наземных» фотовольтаических систем. Сегодня создание тандемов «перовскит/кремний» обоснованно рассматривается как наиболее перспективный путь развития «зрелой» кремниевой фотовольтаики, что подтверждается чрезвычайно интенсивными разработками лидеров индустрии кремниевых гетероструктурных элементов (в частности, компанией LONGi Green Energy Technology Co., Ltd., в которой, по информации непосредственно от компании, разработкой тандемов «перовскит-кремний» занимается коллектив из ~500 человек). Результаты данного проекта будут представлять интерес для передовой российской группы компаний «Хевел», которая разрабатывает и производит гетероструктурные кремниевые солнечные элементы, что является заделом для будущей коммерциализации результатов разработок стабильных ПСЭ и тандемных фотоэлементов. Дополнительно, результаты проекта будут являться основой для дальнейшего развития полностью тонкоплёночных перовскит-перовскитных многопереходных фотоэлектрических преобразователей. Отметим, что в рамках данного проекта планируется разработка полезной нагрузки для малого космического аппарата для проведения тестирования операционной стабильности разработанных ФЭП непосредственно в условиях космического полёта на околоземной орбите. Прочным заделом для реализации данного раздела плана работ является опыт реализации подобного проекта коллективом МГУ совместно с АО «Сатурн» в 2024 году. В результате проведения работ, выполняемых непосредственно МГУ имени М.В. Ломоносова, планируется получение следующих результатов. – Результаты исследования фото- и фототермической стабильности светопоглощающих плёнок галогенидных перовскитов со значениями ШЗЗ, оптимальными для создания фотоэлементов «перовскит / Si», «перовскит / Ge», «перовскит / GaAs / Ge», лабораторные методики изготовления плёнок с целевыми параметрами; – Результаты оценки термодинамической стабильности твердых растворов гибридных перовскитов с составами, релевантными для создания каскадных фотоэлементов, с использованием расчетов методами атомистического моделирования; выявленные наиболее стабильные диапазоны составов; – Новые лабораторные методики изготовления прототипов «верхних» перовскитных субэлементов для создания четырёхтерминальных (4-Т) тандемных солнечных элементов, оптимизированных для применения в космосе. Методики будут включать создание всех транспортных, барьерных и вспомогательных слоёв, в том числе, прозрачных проводящих электродов с улучшенным пропусканием в требуемых областях спектра; – Установленное влияние архитектуры перовскитного субэлемента (со светопоглощающим слоем с различной ШЗЗ) и методик формирования функциональных слоёв на стабильность приборных характеристик устройств, выявленные ключевые процессы, протекающие в ходе фотодеградации устройств при повышенной температуре, а также при термоциклировании в широком диапазоне температур, релевантном для космических применений, и облучении устройств бета-частицами; – Результаты исследования приборных характеристик 4-Т тандемных и трёхкаскадных фотоэлементов на основе субэлементов, разработанных исполнителями проекта; – Новые лабораторные методики изготовления прототипов двухтерминальных (2-Т) солнечных элементов «перовскит / Si», «перовскит / Ge», «перовскит / GaAs / Ge»; – Результаты исследования приборных характеристик и стабильности прототипов фотоэлементов «перовскит / Si», «перовскит / Ge», «перовскит / GaAs / Ge» по отношению к облучению стандарта АМ 1.5, термо- фотоциклированию; – Результаты исследования устойчивости разработанных материалов и устройств к бета-излучению (на базе НИИЯФ МГУ); – Будет разработана полезная нагрузка для малого космического аппарата типа «Кубсат» для испытаний разработанных ФЭП в реальных условиях космического полёта на околоземной орбите, что является чрезвычайно актуальной задачей ввиду отсутствия в настоящее время опубликованных данных о стабильности прототипов ПСЭ непосредственно в космосе; – Результаты оценки коммерческого потенциала разработанных лабораторных технологий создания фотоэлементов и рекомендации для проведения дальнейших прикладных научных исследований по теме проекта. Необходимо особо подчеркнуть, что создание тандемных солнечных элементов типа «кремний – перовскит», «германий – перовскит» или «Ge / GaAs – перовскит» не может быть реализовано путем просто формирования перовскитного солнечного элемента на поверхности соответствующего солнечного элемента или полуэлемента на его основе. Для функционирования такого устройства, конструкция соответствующего субэлемента должна быть определенным образом изменена, в «нижнем» субэлементе должны отсутствовать отдельные компоненты стандартных солнечных элементов, а другие функциональные слои должны быть в него, напротив, внедрены. Таким образом, реализация подобного проекта может быть осуществлена только в случае научной коллаборации с коллективом, имеющим компетенции и технические возможности для разработки и создания «нижних» субэлементов именно требуемого строения, что является отдельной научной инженерной задачей высокого уровня сложности. В результате проведения работ, выполняемых соисполнителем проекта – АО «Сатурн» – планируется получение следующих результатов. – Будут разработаны конструкции и технологии изготовления набора слоёв, необходимых для формирования на поверхности кремниевого субэлемента рекомбинационного контакта на основе прозрачных проводящих оксидов – необходимого для дальнейшего нанесения перовскитного субэлемента и отсутствующего в текущей производимой продукции; – Будут разработаны конфигурации нижних субэлементов на основе гетероструктур А3В5 для согласования спектральных диапазонов субэлементов с учётом спектральной чувствительности перовскитных фотоэлементов, разработанных коллективом МГУ; – Будут разработаны просветляющие покрытия, оптимальные для применения в разработанных однопереходных перовскитных фотоэлементах и в каскадных устройствах; – Будут разработаны конструкции и технологии изготовления Брэгговского отражателя для увеличения фототока верхнего тонкоплёночного каскада и согласования токов субэлементов. – Будут разработаны и изготовлены «нижние» субэлементы тандемных и трёхпереходных солнечных элементов на основе Ge и GaAs / Ge для последующего формирования 4Т- и 2Т-фотоэлементов с перовскитными субэлементами. В частности, будут разработаны интерфейсные слои, необходимые для формирования рекомбинационного контакта, на поверхности которого формируется «верхний» перовскитный субэлемент; – Будут изготовлены подложки из радиационно-устойчивого стекла К-208 для предоставления коллективу МГУ имени М.В. Ломоносова для формирования на них прототипов перовскитных фотоэлементов, а также для инкапсуляции разработанных устройств и дальнейших исследований радиационной стойкости прототипов перовскитных фотоэлементов и тандемных/трёхкаскадных устройств; – Результаты исследования приборных характеристик и стабильности прототипов «верхних» субэлементов на основе гибридных перовскитов, предоставленных коллективом МГУ имени М.В. Ломоносова, при облучении светом стандарта АМ0 и в термовакуумных условиях; – Результаты исследования приборных характеристик и стабильности прототипов 2-Т и 4-Т фотоэлементов «перовскит / Si», «перовскит / Ge», «перовскит / GaAs / Ge» (разработанных и изготовленных совместно с коллективом МГУ имени М.В. Ломоносова) по отношению к облучению стандарта АМ0, термоциклированию; – Результаты исследования устойчивости наиболее перспективных прототипов разработанных устройств к облучению протонами (на базе НИЦ Курчатовский институт - ИТЭФ в рамках действующих договоров между ИТЭФ и АО "Сатурн"); – Результаты оценки коммерческого потенциала разработанных лабораторных технологий создания фотоэлементов. Синергетический эффект от предлагаемого междисциплинарного подхода очевиден, поскольку в применении к разрабатываемым каскадным фотоэлементам соисполнители проекта обладают взаимодополняющими материаловедческими (код Классификатора РНФ для ФНМ МГУ - 03) и инженерными (код Классификатора РНФ для АО "Сатурн" - 09) компетенциями и признанном на российском и мировом уровне практическим заделом: АО «Сатурн» – в области разработки и создания нижнего каскада на основе Si, Ge, GaAs/Ge, разработке полупроводниковых гетероструктур, аттестации солнечных элементов для космических применений; коллектив МГУ – в области исследований и создания верхнего каскада на основе галогенидных перовскитов – перспективного материала для нового поколения фотоэлектрических преобразователей, радиационных испытаний материалов для космических применений, также в области применения методов вычислительной химии для рационального поиска перовскитоподобных материалов с заданными свойствами. Достижение целей проекта в полном объеме невозможно без тесного сотрудничества двух команд.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---