Разработка технологии изготовления высокоэффективных и стабильных перовскитных солнечных батарей на стальных подложках

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 19-73-30020

НазваниеРазработка технологии изготовления высокоэффективных и стабильных перовскитных солнечных батарей на стальных подложках

Руководитель Алдошин Сергей Михайлович, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии Российской академии наук , Московская обл

Конкурс №33 - Конкурс 2019 года по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными 2019_33

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-602 - Химия новых органических и гибридных функциональных материалов

Ключевые слова Новые материалы, полупроводниковые материалы, солнечные батареи, фотовольтаика, энергетика.

Код ГРНТИ31.15.19

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Заявляемый проект направлен на формирование научных основ создания технологии высокоэффективных и стабильных перовскитных солнечных батарей, которая обеспечит быстрое практическое внедрение и коммерциализацию этого инновационного продукта на российском и мировом рынках фотоэлектрических преобразователей. Залогом успешной реализации данного проекта является наличие значительного научного задела у команды исполнителей из ИПХФ РАН в области перовскитной фотовольтаики (опережающего мировой уровень исследований по ряду ключевых аспектов) и мощная поддержка со стороны Сколковского института науки и технологий и крупного промышленного партнера в лице АО «Северсталь Менеджмент», инвестирующих собственные средства в проект и заинтересованные в коммерциализации его результатов. В последние пять лет во всем мире бурно развиваются исследования комплексных галогенидов свинца с перовскитной структурой, содержащих катионы цезия, метиламмония или формамидиния и анионы [PbX3]- (X=Cl, Br, I). Эти материалы на порядки дешевле по сравнению с высокочистым кристаллическим кремнием. Кроме того, их можно наносить поливом из раствора на стеклянные и гибкие подложки, что обеспечивает высокую скорость (до 1000 м2 в минуту на одной промышленной установке) и низкую стоимость их производства. В 2018 году перовскитные солнечные элементы показали сертифицированные к.п.д. >23% для лучших лабораторных образцов, что близко к рекордным показателям для кристаллического кремния (~26%). Несмотря на достигнутые успехи, практическое внедрение перовскитной фотовольтаики осложнено ввиду низкой стабильности используемых фотоактивных материалов. Показано, что комплексные галогениды свинца разрушаются при действии кислорода и влаги воздуха, а также претерпевают быструю термическую, электрохимическую и фотохимическую деградацию. Если воздействие агрессивной атмосферы можно устранить путем инкапсуляции перовскитных солнечных батарей, то влияния повышенных температур, электрического поля и солнечного света в реальных условиях эксплуатации солнечных батарей избежать уже невозможно. Из вышесказанного однозначно напрашивается вывод о том, что технология перовскитной фотовольтаики не имеет никаких шансов практического внедрения из-за проблем со стабильностью фотоактивных материалов. К счастью, сейчас уже с полной уверенностью можно утверждать, что это не так и ситуация вовсе не безнадежна: есть целый ряд перспективных направлений исследований, позволяющих рассчитывать на подавление основных механизмов деградации комплексных галогенидов свинца и достижение приемлемых сроков службы солнечных батарей на их основе вплоть до 15-20 лет. В частности, в 2017 году продемонстрирована стабильная непрерывная работа перовскитных солнечных батарей в течение более чем года (M. K. Nazeeruddin et al., Nature Commun., 2017, 8, 15684), что можно рассматривать как первый шаг на пути к созданию стабильных перовскитных солнечных панелей. Систематическое исследование, выполненное нашей группой (A.F. Akbulatov et al., J. Phys. Chem. Lett., 2017, 8, 1211), показало, что полностью неорганические перовскитные материалы CsPbX3 обладают достаточно высокой стабильностью, позволяющей рассчитывать на их практическое внедрение. Одновременно в нашей лаборатории и в Национальной лаборатории возобновляемой энергетики в США (NREL) были созданы первые эффективные (к.п.д. 10-11%) солнечные элементы на основе полностью неорганического материала CsPbI3 (L.A. Frolova et al., J. Phys. Chem. Lett., 2017, 8, 67). Осенью 2018 года уже сообщалось о достижении эффективности 17% и стабильной работы в течение 500 часов для солнечных батарей на основе этого материала. Полученные результаты однозначно свидетельствуют о значительном потенциале дальнейшей разработки и коммерциализации перовскитных солнечных батарей на основе полностью неорганических перовскитных материалов. Другой перспективный подход связан с обратимостью всех установленных на сегодняшний день реакций термической и фотохимической деградации перовскитных материалов. Значительное повышение стабильности достигается «консервацией» всех продуктов разложения перовскитных материалов внутри фотоактивного слоя, что было предложено в нашей работе (J. Phys. Chem. Lett., 2017, 8, 1211). Процессы распада, протекающие на свету при повышенных температурах в ходе эксплуатации солнечных батарей, обращаются в темное время суток и приводят к регенерации перовскитного материала APbX3, что сопровождается восстановлением характеристик устройств. В литературе появились первые указания на протекание такой регенерации, тогда как в нашей лаборатории имеется детальное понимание механизмов всех протекающих химических процессов. Подчеркнем, что столь динамичная перовскитная система может показать приемлемые сроки службы в электронных устройствах лишь при тщательной оптимизации всех компонентов с целью полного подавления необратимых химических и физических процессов, таких как, например, коррозия электродов или потеря летучих продуктов (СН3I, NH3, СН3NH2). Поистине уникальные возможности открывает блокирование основных путей термического и фотохимического разложения перовскитных материалов путем использования специальных стабилизирующих добавок. Литературные данные и результаты наших исследований свидетельствуют о том, что срок службы перовскитного материала можно повысить даже не в разы, а на порядки, если вводимая стабилизирующая добавка является достаточно эффективной. Важно отметить, что многие стабилизирующие добавки не снижают к.п.д. перовскитных солнечных батарей, а даже повышают эффективность их работы. Таким образом, использование полностью неорганических комплексных галогенидов свинца, обратимость реакций разложения перовскитных материалов и возможность блокирования основных путей их распада путем введения стабилизирующих добавок формируют три основных подхода к достижению приемлемых сроков службы перовскитных солнечных батарей. Коллектив исполнителей заявляемого проекта уже давно ведет исследования по всем трем указанным направлениям. В рамках данного проекта эти исследования будут значительно развиты и расширены, что позволит создать твердую основу для практического внедрения технологий перовскитной фотовольтаики.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Мердаса А., Царев С., Акбулатов А., Трошин П. , Унгер Е. Л. Microscopic insight into the reversibility of photodegradation in MAPbI3 thin films Journal of Luminescence, 116916 (год публикации - 2019)
10.1016/j.jlumin.2019.116916

2. Ямилова О.Р., Данилов А.В., Мангрулкар М., Федотов Ю.С., Лучкин С.Ю., Бабенко С.Д., Бредихин С.И., Алдошин С.М., Стивенсон К.Дж. и Трошин П.А. Reduction of Methylammonium Cations as a Major Electrochemical Degradation Pathway in MAPbI3 Perovskite Solar Cells The Journal of Physical Chemistry Letters (год публикации - 2019)
10.1021/acs.jpclett.9b03161

3. Акбулатов А.Ф., Царев С.А., Эльшобаки М., Лучкин С.Ю., Жидков И.С., Курмаев Е.З., Алдошин С.М., Стивенсон К.Дж. и Трошин П.А. Comparative Intrinsic Thermal and Photochemical Stability of Sn(II) Complex Halides as Next-Generation Materials for Lead-Free Perovskite Solar Cells The Journal of Physical Chemistry C, 123, 44, 26862-26869 (год публикации - 2019)
10.1021/acs.jpcc.9b09200

4. Жидков И.С., Потеряев А.И., Кухаренко А., Финкельштейн Л.Д., Чолах С.О., Акбулатов А.Ф., Трошин П.А., Чуех С.-С., Курмаев Е.З. XPS evidence of degradation mechanism in hybrid halide perovskites Journal of Physics: Condensed Matter, 32, 9, 095501 (год публикации - 2020)
10.1088/1361-648X/ab576f.

5. Болдырева А.Г., Акбулатов А.Ф., Эльнаггар М., Лучкин С.Ю., Данилов А.В., Жидков И.С., Ямилова О.Р., Федотов Ю.С., Бредихин С.И., Курмаев Е.З. , Стивенсон К.Дж., Трошин П.А. Impact of charge transport layers on photochemical stability of MAPbI3 in thin films and perovskite solar cells Sustainable Energy & Fuels, 3, 2705-2716 (год публикации - 2019)
10.1039/C9SE00493A

6. Эльнаггар М., Эльшобаки М., Мумятов А., Лучкин С.Ю., Стивенсон К.Дж., Трошин П.А. Molecular Engineering of the Fullerene‐Based Electron Transport Layer Materials for Improving Ambient Stability of Perovskite Solar Cells Solar RRL, (RRL – Rapid Research Letters), 3, 9, 1900223 (год публикации - 2019)
10.1002/solr.201900223

7. Акбулатов А.Ф., Фролова Л.А., Дремова Н.Н., Жидков И., Мартыненко В. И., Царев С., Лучкин С., Курмаев Е. З., Алдошин С. М., Стивенсон К. Дж., Трошин П. А. Light or Heat: What is Killing Lead Halide Perovskites under Solar Cell Operation Conditions? The Journal of Physical Chemistry Letters (год публикации - 2019)

8. Эльнаггар М., Болдырева А.Г., Эльшобаки М., Царев С.А., Данилов А.В., Федотов Ю.С., Ямилова О.Р., Бредихин С.И., Стивенсон К.Дж., Алдошин С.М., Трошин П.А. Top or Bottom: Decoupling the Contributions of Hole- and Electron-Transport Layers to Light-Induced Degradation of p-i-n Perovskite Solar Cells Advanced Energy Materials (год публикации - 2019)

9. Кенкин М.В., Кац Е.А., Абате А., Бардицца Г., Берри Дж., Брабек С.Дж., Брунетти Ф., Булович В., Трошин П.А. , Туркович В., Веенстра С., Висоли-Фишер И., Уолш А., Уотсон Т., Се Х., Йылдырым Р., Закеруддин С.М., К. Чжу, Лира-Канту М. и др. Consensus Statement for Stability Assessment and Reporting for Perovskite Photovoltaics based on ISOS Procedures Nature Energy (год публикации - 2019)

10. Boukhvalov D. W., Zhidkov I. S., Akbulatov A. F., A. Kukharenko I., Cholakh S.O., Stevenson K. J., Troshin P.A., Kurmaev E.Z. Thermal effects and halide mixing of hybrid perovskites: MD and XPS studies The Journal of Physical Chemistry A, 2019 (год публикации - 2019)
10.1021/acs.jpca.9b09653

11. Теплякова М.М., Михеева А.Н., Фролова Л.А., Болдырева А.Г., Елакшар А., Новиков А.В., Царев С.А., Устинова М.И., Ямилова О.Р., Насибулин А.Г., Алдошин С.М., Стивенсон К.Дж. , Трошин П.А. Incorporation of Vanadium(V) Oxide in Hybrid Hole Transport Layer Enables Long-term Operational Stability of Perovskite Solar Cells The Journal of Physical Chemistry Letters, 11, 14, 5563 (год публикации - 2020)
10.1021/acs.jpclett.0c01600

12. Акбулатов А.Ф., Мартыненко В.М., Фролова Л.А., Дремова Н.Н., Жидков И., Царев С.А., Лучкин С.Ю., Курмаев Е.З., Алдошин С.М., Стивенсон К.Дж., Трошин П.А. Intrinsic thermal decomposition pathways of lead halide perovskites APbX3 Solar Energy Materials and Solar Cells, 213, 110559 (год публикации - 2020)
10.1016/j.solmat.2020.110559

13. Жидков И.С., Бухвалов Д.В., Кухаренко А.И., Финкельштейн Л.Д., Чолах С.О., Акбулатов А.Ф., Хуарес-Перес Э.Д., Трошин П.А., Курмаев Э.З. Influence of ion migration from ITO and SiO2 substrates on photo and thermal stability of СH3NH3SnI3 hybrid perovskite The Journal of Physical Chemistry C, 124, 27, 14928–14934 (год публикации - 2020)
10.1021/acs.jpcc.0c04621

14. Эльнаггар М., Болдырева А.Г., Эльшобаки М., Царев С.А., Федотов Ю.С., Ямилова О.Р., Бредихин С.И., Стивенсон К.Дж., Алдошин С.М., Трошин П.А. Decoupling Contributions of Charge-Transport Interlayers to Light-Induced Degradation of p i n Perovskite Solar Cells Solar RRL, 4, 2000191 (год публикации - 2020)
10.1002/solr.202000191

15. Жидков И.С., Бухвалов Д.В., Акбулатов А.Ф., Фролова Л., Финкельштейн Л.Д., Кухаренко А.И., Чолах С.О., Чуех С.-Ц., Трошин П.А., Курмаев Э.З. XPS spectra as a tool for studying photochemical and thermal degradation in APbX3 hybrid halide perovskites Nano Energy, 79,105421 (год публикации - 2021)
10.1016/j.nanoen.2020.105421

16. Акбулатов А.Ф., Фролова Л.А., Царев С.А., Жидков И.С., Лучкин С.Ю., Курмаев Е.З., Стивенсон К.Дж., Алдошин С.М., Трошин П.А. Film deposition techniques impact defect density and photostability of MAPbI3 perovskite films The Journal of Physical Chemistry C, 124, 39, 21378–21385 (год публикации - 2020)
10.1021/acs.jpcc.0c07673

17. Царев С., Олтхоф С., Болдырева А., Алдошин С. М., Стивенсон К. Дж., Трошин П. А. Reactive modification of zinc oxide with methylammonium iodide for perovskite solar cells with increased stability Nano Energy, - (год публикации - 2021)

18. Устинова М.И., Михеева М.М., Шилов Г.В., Дремова Н.Н., Фролова Л.А., Алдошин С.М., Стивенсон К.Дж., Трошин П.А. Partial substitution of Pb2+ in CsPbI3 as an efficient strategy to design fairly stable all-inorganic perovskite formulations ACS Applied Materials & Interfaces (год публикации - 2021)

19. Эльнаггар М.М., Фролова Л.А., Бабенко С.Д., Алдошин С.М., Трошин П.А. Conjugated push-pull type oligomer as a new electron transport material for improved stability p-i-n perovskite solar cells Synthetic Metals, 281, 116921 (год публикации - 2021)
10.1016/j.synthmet.2021.116921

20. Жидков И. С., Акбулатов А. Ф., Инасаридзе Л. Н., Кухаренко А. И., Фролова Л. А., Cholakh S. O., Chueh C.-C., Трошин П. А., Курмаев Е. З. Influence of oxygen ion migration from substrates on photochemical degradation of CH3NH3PbI3 hybrid perovskite Energies, 14, 16, 5062 (год публикации - 2021)
10.3390/en14165062

21. Фролова Л.А., Гуцев Л.Г., Рамачандран Б.Р., Дремова Н.Н., Алдошин С.М., Трошин П.А. Exploring CsPbI3 - FAI alloys: introducing low-dimensional Cs2FAPb2I7 absorber for efficient and stable perovskite solar cells Chemical Engineering Journal, 426, 131754 (год публикации - 2021)
10.1016/j.cej.2021.131754

22. Акбулатов А.Ф., Устинова М.И., Шилов Г.В., Дремова Н.Н., Жидков И.С., Курмаев Е.З., Фролова Л.А., Шестаков А.Ф., Алдошин С.М., Трошин П.А. Temperature dynamics of the MAPbI3 and PbI2 photolysis: revealing the interplay between light and heat, two enemies of perovskite photovoltaics The Journal of Physical Chemistry Letters, 12, 18, 4362-4367 (год публикации - 2021)
10.1021/acs.jpclett.1c00883

23. Акбулатов А. Ф., Устинова М. И., Гуцев Л. Г., Царев С. А., Дремова Н. Н., Жидков И., Лучкин С. Ю., Рамачандран Б. Р., Фролова Л. А., Курмаев Э. З., Стивенсон К. Дж., Алдошин С. М., Трошин П. А. When iodide meets bromide: Halide mixing facilitates the light-induced decomposition of perovskite absorber films Nano Energy, 86, 106082 (год публикации - 2021)
10.1016/j.nanoen.2021.106082

24. Озерова В. В., Жидков И., Болдырева А., Дремова Н. Н., Емельянов Н. А., Шилов Г. В., Фролова Л. А., Курмаев Е. З., Сухоруков А. Ю., Алдошин С. М., Трошин П. А. Spectacular enhancement of thermal and photochemical stability of MAPbI3 perovskite films using functionalized tetraazaadamantane as a molecular modifier Energies, 14, 669 (год публикации - 2021)
10.3390/en14030669

25. Фролова Л. А., Лучкин С. Ю., Лекина Ю., Гуцев Л. Г., Царев С. А., Жидков И., Курмаев Е. З., Шен З. X., Стивенсон К. Дж., Алдошин С. М., Трошин П. А. Reversible Pb2+/Pb0 and I-/I3- redox chemistry drives the light-induced phase segregation in all-inorganic mixed halide perovskites Advanced Energy Materials, 11, 12, 2002934 (год публикации - 2021)
10.1002/aenm.202002934

26. Elakshar A., Царев С., Rajanna P., Теплякова М., Фролова Л. А., Алдошин С. М., Трошин П. А., Насибулин А. Г. Surface Passivation for Efficient Bifacial HTL-free Perovskite Solar Cells With SWCNT Top Electrodes ACS Applied Energy Materials (год публикации - 2021)
10.1021/acsaem.1c02134

27. Теплякова М.М., Аккуратов А.В., Царев С.А., Трошин П.А. Suzuki polycondensation for the synthesis of polytriarylamines: A method to improve hole-transport material performance in perovskite solar cells Tetrahedron Letters, 61, 152317 (год публикации - 2020)
10.1016/j.tetlet.2020.152317

28. Кузнецов М. К., Емельянов Н. А., Корчагин Д. В., Шилов Г. В. , Алдошин С. М., Трошин П. А., Фролова Л. А. Enhanced Photostability of CsPbI2Br-based Perovskite Solar Cells through suppression of the phase segregation using a zwitterionic additive Sustainable Energy Fuels, 6, 15, 3536-3541 (год публикации - 2022)
10.1039/D2SE00450J

29. Жидков И. С., Акбулатов А. Ф., Устинова М. И., Кухаренко, Фролова Л. А., Чолах С. О., Чуэ С.-Ч., Трошин П. А., Курмаев Э. З. Temperature Dependence of Photochemical Degradation of MAPbBr3 Perovskite Coatings, 12, 8, 1066 (год публикации - 2022)
10.3390/coatings12081066

30. Царев С., Дубинина Т., Ольтоф С., Герерро А., Лучкин С. Ю., Стивенсон К. Дж., Алдошин С. М., Бискерт Дж., Трошин П. А. Stabilizing perovskite solar cells with modified indium oxide electron transport layer Solar Energy Materials and Solar Cells, 251, 112115 (год публикации - 2023)
10.1016/j.solmat.2022.112115

31. Эльнаггар М. М., Гуцев Л. Г., Емельянов Н. А., Кузнецов П. М., Фролова Л. А., Алдошин С. М., Трошин П. А. Molecular Engineering of Polytriarylamine-Based Hole-Transport Materials for p-i-n Perovskite Solar Cells: Methyl Groups Matter ACS Applied Energy Materials, 5, 5, 5388–5394 (год публикации - 2022)
10.1021/acsaem.1c03040

32. Эльнаггар М., Фролова Л., Гордеева А., Устинова М., Лорензен Х., Аккуратов А., Никитенко С., Соловьева Е., Лучкин С., Федотов Ю., Царев С., Дремова Н., Алдошин С., Трошин П. Improving stability of perovskite solar cells using fullerene-polymer composite electron transport layer Synthetic Metals, 286, 117028 (год публикации - 2022)
10.1016/j.synthmet.2022.117028

33. Четыркина М., Каменева Л., Климанова Е., Сашенкова Т., Аллаярова Ю., Мищенко Д., Костюк С., Фролова Л. А., Алдошин С. М., Трошин П. А. Lead, Tin, Bismuth or Organics: Assessment of Potential Environmental and Human Health Hazards Originating from Mature Perovskite PV Technology Solar Energy Materials and Solar Cells, 12, 23, 6743 (год публикации - 2023)

34. Жидков И. С., Маклеод Дж. А., Акбулатов А. Ф., Кухаренко А. И., Фролова Л. А., Чолах С. О., Чуэ К.-К., Трошин , Курмаев Э. З. XPS Probe of Metavalent Chemical Bonding in Halide Perovskites Physical Review Materials, 23, 4, 6734 (год публикации - 2022)

35. Устинова М. И., Михеева М. М., Шилов Г. В. , Дремова Н. Н., Фролова Л. А., Алдошин С. М., Стивенсон К. Дж., Трошин П. А. Partial substitution of Pb2+ in CsPbI3 as an efficient strategy to design fairly stable all-inorganic perovskite formulations ACS Applied Materials & Interfaces, 13, 4, 5184–5194 (год публикации - 2021)
10.1021/acsami.0c18061

36. Царев С., Олтхоф С., Болдырева А., Алдошин С. М., Стивенсон К. Дж., Трошин П. А. Reactive modification of zinc oxide with methylammonium iodide boosts the operational stability of perovskite solar cells. Nano Energy, 83, 105774 (год публикации - 2021)
10.1016/j.nanoen.2021.105774

37. Чен Р., Чжан В., Гуань С., Раза Х., Чжан С., Чжан Ю., Трошин П. А., Куклин С. В., Лю З., Чен В. Rear Electrode Materials for Perovskite Solar Cells Advanced Functional Materials, 32, 26, 2200651 (год публикации - 2022)
10.1002/adfm.202200651

38. Латыпова А. Ф., Емельянов Н. А., Балакирев Д. О., Сухорукова П. С., Калиниченко Н. К., Кузнецов П. М., Лупоносов Ю. Н., Алдошин С. М., Пономаренко С. А., Трошин П. А., Фролова Л. А. Design principles for organic small molecule hole-transport materials for perovskite solar cells: film morphology matters ACS Applied Energy Materials, 5, 5, 5395–5403 (год публикации - 2022)
10.1021/acsaem.1c03119

39. Чен Р., Ван Дж., Лю З., Жэнь Ф., Лю С., Чжоу Дж., Ван Х., Мэн С., Чжан З., Гуань С., Лян В., Трошин П. А., Ци Ю. , Хан Л., Чен В. Synergistic defects management for efficient and stable inverted methylammonium- and bromide-free formamidinium perovskite solar cells Nature Energy, under revision (год публикации - 2023)

40. Новиков А. Н., Емельянов Н. А., Жидков И. С., Краевая О. А., Федотов Ю. С., Ямилова О. Р., Бредихин С. И., Курмаев Э. З., Дремова Н. Н., Корчагин Д. В., Шилов Г. В., Фролова Л. А., Алдошин С. М., Трошин П. А. Benchmarking the Stability of Hole Transport Materials for p-i-n Perovskite Solar Cells: The Importance of Interfacial Reactions ACS Applied Energy Materials, under revision (год публикации - 2023)

Публикации