Паспорт проекта

Название проекта

Высокопроизводительная полимерная тандемная фотовольтаика на основе на гибридных перовскитов 

Руководители проекта

профессор Захидов Анвар Абдулахадович

Цели проекта

Целью заявленного проекта является разработка научных основ и экспериментальных принципов тандемных элементов на основе гибридные органо-неорганические перовскитов и  полимерных солнечных ячеек, обеспечивающих расширение спектра солнечного излучения, преобразуемого в электроэнергию. 

Задачи проекта

Для достижения поставленной в проекте цели будут решены следующие научно-технические задачи:

- Разработка теоретических принципов и экспериментальных основ изготовления оптически прозрачных проводящих слоев на основе углеродных нанотрубок, а также изготовление опытных образцов углеродных нанотрубок для оптически прозрачных проводящих слоев.

Разработка научных основ создания тандемных элементов на основе органо-металлических перовскитов (MAPbICl) в качестве промежуточного фотоактивного слоя и полимерных солнечных ячеек с светопрозрачными электродами на основе аэрогелей углеродных нанотрубок.

Разработка физико-математических моделей тандемных элементов на основе органо-металлических перовскитов (MAPbICl) и полимерных солнечных ячеек с последовательной и параллельной архитектурой.

- Изготовление пленочных с  покрытий  на основе металлорганических перовскитов типа (MAPbI3) с заданной ионной кристаллической структурой. Контроль над их структурой будет осуществляться одним из следующих методов: двухфорсуночного напыления МAI и PbI2 в контролируемой атмосфере, последовательного нанесения пленок погружением PbI2 в раствор МAI, одностадийное  нанесение покрытия из предварительно приготовленного раствора смеси  PbI2 и МАI, или последовательное послойное покрытие из индивидуальных растворов PbI2 и МАI методику осаждения МAI из газовой фазы на предварительно сформованную на подложке пленку PbI2;

- Разработка методики получения гибких прозрачных проводящих пленок на основе модифицированных углеродных наноматериалов предполагаемо будет базироваться на методиках контролируемой локальной коагуляции и ламинирования углеродных нанотрубок при напылении растворов модификаторов со средним уровнем подвижности носителей заряда, таких как
2,8-дифтор-5,11-бис(триэтилсилилэтинил)антрадитиофен (TES-ADT) и
6,13-бис(триизопропилсилилэтинил)пентацен (TIPS-пентацен);

- Разработка высокоэффективного устройства преобразования различных спектральных диапазонов солнечного света будет запланирована с использованием технологии интеграции металлорганических перовскитов (MAPbI3) в новую каскадную (тандемную) структуру с использованием органических пленок, покрытых электродами из углеродных нанотрубок с высокой подвижностью носителей заряда. Для реализации данной технологии будет проведен сравнительный анализ параллельной и последовательной схемы соединения элементов  в тандеме;

- Создание тандемных фотоэлектрических устройств с архитектурой FTO-p-i-n-CNT-n-i-p-ITO планируется на основе гибридных металлорганических перовскитов и полимеров, высокая эффективность которых будет достигаться благодаря применению эластичных электродов на основе объединенных посредством ламинированных слоев допированных УНТ;

- В качестве метода, который значительно повышает эффективность фотоэлектрического преобразователя наряду с УНТ электродом, будет использован ионный затвор. Согласно результатам предварительных исследований  хорошо совмещается с фотоактивным слоем из перовскита. Для преодоления основных проблем органических фотоэлектрических преобразователей предполагается достижение большой длины диффузионного пробега носителей заряда не только в перовскитах, но и в кристаллических транспортных слоях.

Уникальность проекта

В настоящее время наиболее перспективным и динамично развивающим направлением в солнечной энергетике является создание солнечных элементов на основе гибридных органо-неорганических перовскитов. Их применение позволило получать эффективность однопереходного элемента до 18%. В связи с этим большим научным и практическим значением обладает проблема создания на их основе тандемных элементов, обеспечивающих расширение спектра солнечного излучения, преобразуемого в электроэнергию, на решение которой и направлен данный проект.

Актуальность проекта

Разработка новых типов производительных и недорогих солнечных панелей, способных заменить широко используемые кремниевые, является одним из наиболее перспективных направлений развития возобновляемой энергетики  в мире.  Появление таких материалов в будущем позволит  снизить зависимость человечества от использования органического топлива и обеспечит возможность его устойчивого развития в гармонии с окружающей средой.

Разработка новых типов производительных и недорогих солнечных панелей, способных заменить широко используемые кремниевые, является одним из наиболее перспективных направлений развития возобновляемой энергетики  в мире.  Появление таких материалов в будущем позволит  снизить зависимость человечества от использования органического топлива и обеспечит возможность его устойчивого развития в гармонии с окружающей средой.

В настоящее время наиболее перспективным и динамично развивающим направлением в солнечной энергетике является создание солнечных элементов на основе гибридных органо-неорганических перовскитов. Их применение позволило получать эффективность однопереходного элемента до 18%. В связи с этим большим научным и практическим значением обладает проблема создания на их основе тандемных элементов, обеспечивающих расширение спектра солнечного излучения, преобразуемого в электроэнергию, на решение которой и направлен данный проект.

В результате проведенных исследований получены изготовлены и исследованы элементы тандемов на основе OPV и перовскита. Исследована их эффективность, а также проведено сравнение различных вариантов архитектуры OPV.

Полученные результаты очевидно показывают преимущества дриппинга метанолом, эффективность элемента  с такой обработкой  достигает уровня близкого к 4 %, более того измерения через апертурную маску позволяют зафиксировать результат, при котором солнечный элемент способен выдавать эффективность 5 % и более в перспективе. Величина тока короткого замыкания ~ 15 мА/ см2, и напряжения холостого хода ~ 0,7 В соответствует результатам работ., где получены эффективности данные близким к максимальном на данных материалах, около 7-9% для системы PTB7:PCBM. Однако для повышения эффективности до значений 6 и 7 % необходимо значительно повышать фактор заполнения солнечного элемента с значения 0,5 до 0,7. Полученное значение последовательного сопротивления  около 1 Ом*см 2 говорит об оптимально хорошем контакте металл- полупроводник, в то время как величина шунтирующего сопротивления находится на уровне 105 Ом* см2, что является недостаточным для получения высокого фактора заполнения. На последний параметр в большинстве случаев значительно влияет качество объемного перехода солнечного элемента, упорядоченность, степень кристализации, количество закорачиваний. Также возможно утечки тока при неправильном контакте донора с катодом и акцептора с анодом, для предотвращения чего необходимо введения электронно или дырочно блокирующих слоев.

Поэтому дальнейшие улучшения для отдельной подъячейки на органической основе будут достигнуты с увеличением шунтирующего сопротивления путем улучшения фазового разделения объемного гетероперехода при добавлении DIO и обработки поверхности полярными растворителями, как это было показано на примере метанола. Также увеличение фил фактора возможно с введением дополнительного электронно-транспортного слоя, для чего возможно нанесения дополнительного тонкого слоя акцептора PCBM или фуллерена С60. Данный слой будет защищать донор от контакта с катодом, что влнчет за собой потери по току.

Технологически это возможно будет осуществить при использовании растворов, нейтральных к полимерному донору, к примеру возможно использование дихлорметана, или при введении термического испарения в вакууме.

Наиболее значимыми ризалитами является достижение PCE OPV на основе PTB7 равной ~ 7 а для перовскитного элемента 12-13 %. Достигнутые значения будут использованы на дальнейших этапах при изготовлении тандемеых элементов.

В результате проведенных экспериментов изготовлены и исследованы многостенные углеродные нанотрубки, покрыты серебром для увеличения показателей проводимости и оптического пропускания, а так же предложено их использование в качестве прозрачного электрода для солнечных ячеек.

Полученные результаты демонстрируют возможность использования УНТ как на поверхности ячейки для тандемов, так и в качестве промежуточного слоя для гибких устройств. Для улучшения параметров солнечного элемента предложено провести опыт по уплотнению свободно висящих образцоа аэрогеля УНТ в парах изопропилового спирта или нанесением в потоке газа с последующим нанесением длинных и тонких серебрянных нановолокон и терморезистивным напылением серебра для увеличения параметров проводимости.

Выявлено, что длинные нановолокна серебра на поверхности УНТ значительно улучшают параметры проводимости и оптической проницаемости УНТ, в то время как короткие нано стержни незначительно влияют на сопротивление трубок при одинаковых параметрах нанесения.

Обнаружено, что удается значительно повысить ток короткого замыкания при нанесении PCBM на поверхность трубок, используемых в качестве катода, однако необходимо оптимизировать процесс для достижения оптимального соотношения прозрачности ячейки и генерации тока. 

1. Захидов Анвар Абдулахадович 

2. Конюхов Юрий Владимирович 
3. Бурмистров Игорь Николаевич 
4. Аруп Ратан Мандал 
5. Орлова Марина Николаевна 
6. Гусев Александр Александрович 
7. Саранин Данила Сергеевич 
8. Юдинцева Тамара Игоревна 
9. Лейбо Денис Владимирович 
10. Ильиных Игорь Алексеевич 
11. Мазов Всеволод Николаевич 
12. Иштеев Артур Рустемович 
13. Волчьематьев Сергей Александрович 
14. Новицкий Андрей Павлович 
15. Муратов Дмитрий Сергеевич

Наши проекты

Последние комментарии



Яндекс.Метрика