ИСТИНА

В проекте предполагается развить новые фундаментальные подходы и экспериментальные решения по разработке методов получения и интегрированию наноматериалов различной размерности в наногетероструктуры для фотовольтаических преобразователей энергии нового поколения на основе гибридных органо – неорганических галогенидных перовскитов с улучшенной эффективностью 15 – 20% и расширенным спектральным диапазоном функционирования. Новизной проекта будет являться использование полупроводниковых нитевидных кристаллов (1D система) на основе смешанных галогенидов свинца и органических катионов, что позволит не только варьировать ключевые оптические свойства перовскита (ширину запрещенной зоны и поглощение, люминесценцию), но также и анизотропию диффузионной подвижности и время жизни носителей зарядов для повышения эффективности разделения заряда в конечной структуре при фотооблучении. Для сенсибилизации полупроводниковой структуры и увеличения спектрального рабочего диапазона будут получены наночастицы серебра / золота сложной формы, обеспечивающей наличие «горячих точек» при возбуждении плазмонного резонанса и наиболее эффективного поглощения света в видимом и ИК диапазонах (0D система). Полученные нанокомпозиты будут распределены по рабочему интерфейсу высокопористого полупроводника с электронной или дырочной проводимостью (2D система) с высокой величиной удельной площади поверхности для обеспечения функциональности солнечной ячейки в целом. В проекте предполагается экспериментально исследовать возможности контроля структуры, морфологии и физических характеристик как отдельных компонентов, так и всей структуры в целом для выявления совместимости компонентов, механизмов протекающих процессов при работе солнечной ячейки для оптимизации состава, структуры и свойств наногетероструктуры. Предполагается написание не менее 7 статей в высокорейтинговых журналах в сотрудничестве с ключевыми зарубежными группами, а также получение не менее одного патента РФ.

Цель исследования - поиск и получение наноматериалов с заданными свойствами, формирующих гетероструктуры с улучшенной по сравнению с аналогами способностью к долговременному преобразованию солнечной энергии в электрическую за счет структурного и микроструктурного контроля эффективности генерации, разделения носителей заряда и их переноса через интерфейсы гетероструктуры. Основные задачи: 1. поиск основных наноматериалов - компонентов гетероструктур для фотовольтаических преобразователей энергии, 2. установление механизмов роста и текстурирования нитевидных кристаллов при топотактической (изоморфологической) конверсии прекурсоров (металлических, галогенидных, нанокомпозитных), кристаллизации за счет химической реакции в смешанных растворителях, генерации пересыщения при смене или удалении растворителя, 3. поиск эффективных методов (методы мягкой химии и электрохимии) формирования наногетероструктур с полупроводниковыми (фотовольтаическими) свойствами, 4. установление корреляций предыстории получения, дефектной структуры, валентного состояния элементов, эффектов легирования, морфологических особенностей и анизотропии свойств нитевидных кристаллов органо - неорганических перовскитов, 5. использование подходов молекулярной динамики при исследовании перовскитных систем с различным типом катионов и дефектными структурами методами спектроскопии комбинационного рассеяния и люминесценции, определение времен жизни и подвижностей носителей заряда в темновых условиях и фотовозбуждении, 6. синтез плазмонных частиц с заданными оптическими характеристиками для сопряжения как сенсибилизаторов с полупроводниковыми структурами, 7. создания полупроводников с развитой поверхностью (упорядоченные ансамбли пор, мезопористые, микропористые системы, полученные темплатными методами) и заданным типом проводимости (n-, p- типа) на основе диоксида титана и других систем, 8. поиск способов интегрирования разработанных наноматериалов в функциональную наногетероструктуру с высокими фотовольтаическими характеристиками, 9. иследование механизмов переноса энергии через интерфейсы наногетероструктуры при функционировании солнечной батареи, а также возможных изменений кристаллической и дефектной структур при длительном функционировании солнечного элемента.

Проект носит комплексный, междисциплинарный характер, поскольку предполагается развивать не только новые фундаментальные подходы и экспериментальные решения по разработке методов получения и интегрированию наноматериалов различной размерности в наногетероструктуры для фотовольтаических преобразователей энергии нового поколения на основе гибридных органо – неорганических галогенидных перовскитов, но и добиться коммерциализуемых результатов, в частности, улучшенной эффективностью преобразования света до 15 – 20% и расширенным спектральным диапазоном функционирования батарей и оптимизации протекающих в них процессов переноса зарядов. В связи с этим проект состоит из трех годичных этапов. На этапе 2016 года будут получены и исследованы ключевые (новые) элементы фотовольтаических устройств - полупроводниковые нитевидные кристаллы органо - неорганических перовскитов (1D система), что позволит не только варьировать оптические свойства перовскита (ширину запрещенной зоны и поглощение, люминесценцию), но также и анизотропию диффузионной подвижности и время жизни носителей зарядов для повышения эффективности разделения заряда в конечной структуре при фотооблучении. На данном этапе будут также получены и исследованы потенциальные эффективные сенсибилизаторы полупроводниковой структуры, увеличивающие к тому же спектральный рабочий диапазон ячеек - наночастицы серебра / золота сложной формы, обеспечивающей наличие «горячих точек» при возбуждении плазмонного резонанса и наиболее эффективном поглощения света (0D система). Третьим важным типом работ будет получение рабочего интерфейса высокопористого полупроводника (2D система) с высокой величиной удельной площади поверхности для обеспечения функциональности солнечной батареи в целом. Таким образом, детализированный план первого годично этапа включает в себя: 1. анализ возможностей синтеза наноматериалов - компонентов гетероструктур для фотовольтаических преобразователей энергии, 2. разработка новых эффективных химических и электрохимических методов получения массивов нанонитей и нанокристаллов металлического свинца и иодида свинца для использования в качестве прекурсоров одномерных нитевидных кристаллов со структурой перовскита на основе смешанных галогенидов свинца и органических катионов; 3. установление механизма формирования нитевидных кристаллов со структурой перовскита на основе смешанных галогенидов свинца и органических катионов, а также их ансамблей при топотакцической конверсии прекурсоров, включая использование иодида свинца пластинчатой формы в виде высоко текстурированных слоев при гетерогенной кристаллизации фазы органо - неорганического перовскита за счет химической реакции в смешанных растворителях, генерации пересыщения при смене или удалении растворителя. 4. разработка новых эффективных химических и электрохимических методов формирования гибких наногетероструктур с полупроводниковыми (фотовольтаическими) свойствами при использовании нанокомпозитного прекурсора - массива нанонитей металлического свинца в матрице анодного диоксида титана на титановой фольге. 5. развитие новых темплатных подходов по созданию полупроводников с развитой поверхностью (упорядоченные ансамбли пор, мезопористые, микропористые системы) и заданным типом проводимости (n-, p- типа) на основе диоксида титана и других систем для интегрирования разработанных наноматериалов в функциональную наногетероструктуру с высокими фотовольтаическими характеристиками, 6. разработка подходов к синтезу плазмонных частиц позволяющих контролировать их оптические своства и использовать в качестве сенсибилизаторов полупроводниковых структур, развитие методики получения слоев плазмонных наночастиц на основе межфазной самосборки скелетных форм наночастиц серебра для направленной модификации распределения локального электромагнитного поля на интерфейсе с полупроводником, а также увеличения спектрального диапазона возбуждения до 400 - 800 нм. На этапе 2017 года предполагается экспериментально исследовать возможности контроля структуры, морфологии и физических характеристик как отдельных компонентов, так и всей структуры в целом для выявления совместимости компонентов, механизмов протекающих процессов при работе солнечной батареи для оптимизации состава, структуры и свойств наногетероструктуры. В частности, в зависимости от предыстории получения будут систематически исследованы корреляции дефектной структуры, валентного состояния элементов, эффектов легирования, морфологических особенностей и анизотропии функциональных свойств нитевидных кристаллов органо - неорганических перовскитов. На этапе 2018 года будут протестированы прототипы солнечных ячеек и выявлены их преимущества и недостатки. Будут получены лабораторные образцы солнечных ячеек на основе 1D и 2D систем гибридных органо-неорганических соединений со структурой перовскита с эффективностью преобразования солнечной энергии 15-20%. Предполагается систематически с использованием подходов молекулярной динамики исследовать структурные и оптические свойства перовскитных систем с различным типом катионов и заданным уровнем точечных дефектов и их ассоциатов методами спектроскопии комбинационного рассеяния и люминесценции, будут также определены времена жизни и подвижности носителей заряда в темновых условиях и фотовозбуждении нитевидных кристаллов и для конечной наногетероструктуры. Будет проведено комплексное иследование механизмов переноса энергии через интерфейсы наногетероструктуры при функционировании солнечной батареи, а также возможных изменений кристаллической и дефектной структур при длительном функционировании солнечного элемента.