Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Аннотация результатов, полученных в 2017 году Выполнение основных научных задач 2017 года проводилсь двумя последовательными этапами. На первом этапе была проведена разработка технологии получения и конструирования фотоэлектродов на основе наноструктурированных пленок TiO2 различной структуры и разного состава с последующим исследованием их свойств с использованием структурных, микроскопичесих и оптических методов измерения. На втором этапе на основе разработанных фотоэлектродов были сконструированы перовскитные солнечные элементы (ПСЭ), для которых были проведены измерения основных фотовольтаических характеристик для различных уровней освещенности. Были установлены оптимальные параметры структуры, состава и морфологии нанопорошков TiO2 и фотоэлектродов на их основе, которые позволяют достичь в ПСЭ максимальных значений эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую. Все работы с перовскитными материалами, включая технологический процесс нанесения на фотоэлектроды и процесс конструирования ПСЭ, осуществлялись на открытом воздухе при относительной влажности ~ 50-60 % (ambient conditions). Максимальная эффективность преобразования солнечной энергии в сконструированных ПСЭ при AM1.5 составила около 10%, что является достаточно высоким значением для элементов, полученных в указанных условиях. В ходе выполнения проекта в 2017 году были получены следующие основные результаты: 1. Разработаны технологические приемы создания фотоэлектродов для перовскитных солнечных элементов (ПСЭ). Фотоэлектроды представляли собой тонкие наноструктурированные пленки с мезоскопической морфологией различной толщины, сформированные на основе нанокристаллических порошков диоксида титана (TiO2) с варьируемым структурным составом. Технология создания фотоэлектродов включала стадии получения смеси на основе наночастиц TiO2 заданного состава и структуры, нанесения ее на подложку с последующим контролируемым отжигом. В рамках отработки технологических приемов был проведен мониторинг и была выбрана оптимальная схема отжига TiO2 слоя для получения гомогенной морфологии мезопористых структур с оптимальной электропроводностью. Детально изучены микроскопические, оптические, и электрофизические свойства тонкопленочных фотоэлектродов. Исследование структурных, оптических и фотоэлетрических свойств полученных фотоэлетродов в зависимости от фазового состава TiO2 частиц позволило выявить особенности их поведения в структуре ПСЭ и получить оптимальные параметры структурного состава, при которых наблюдается максимальная эффективность фотопреобразования ПСЭ. 2. С целью улучшения характеристик фотоэлектродов для ПСЭ в качестве исходных материалов были использованы порошки на основе наночастиц TiO2, допированных ниобием (Nb). Допирование осуществлялось гидротермальным методом. Рентгено-структурный анализ показал, что процесс допирования не привел к изменению фазового состава частиц. Концентрация допирования Nb в разработанных фотоэлектродах TiO2(Nb) варьировалась в пределах 0 – 2,7 мол.%. C использованием полученных TiO2(Nb) фотоэлектродов была приготовлена серия ПСЭ с конфигурацией: FTO-стекло/TiO2(Nb)/CH3NH3PbI3/углеродный противоэлетрод. Сравнительные измерения фотовольтаических параметров сконструированных ПСЭ при освещении в режиме AM1.5G на открытом воздухе при относительной влажности ~ 50-60 % (ambient conditions) показали, что наилучшее значение эффективности преобразования солнечной энергии достигается при использовании TiO2(Nb) фотоэлектрода с уровнем допирования 2,7 мол.%, которое оказалось на 11% выше эффективности, получаемой при использовании недопированного фотоэлектрода. Таким образом, установлено, что допирование ниобием фотоэлектродов на основе TiO2 является эффективным методом, который позволяет значительно увеличить эффективность преобразования в ПСЭ за счет улучшения транспортных характеристик и поперечной проводимости конденсированных слоев TiO2(Nb) по сравнению с их недопированными аналогами. 3. Были получены и исследованы оптическими, структурными и миркоскопическими методами образцы фотоэлектродов, в которых структурный состав исходных нанопорошков имел различное соотношение структурных фаз анатаза и рутила: 100/0, 95/5, 93/7, 90/10, 86/14 и 83/17 % (по результатам рентгено-структурного анализа). Было установлено, что за счет варьирования этого параметра в исходных порошках наночастиц TiO2 имеется возможность оптимизации свойств получаемых на их основе мезоскопических пленок. Оптические измерения показали, что степень светорассеяния частицами со смешанной структурной фазой оказывается выше, чем в частицах чистого анатаза, и достигает своего максимального значения при соотношении структурной фазы анатаз/рутил 86/14 %. Наблюдаемый эффект был объяснен повышенной отражательной способностью частиц, что приводит к увеличению длины пробега падающего света в объеме мезоскопического слоя и выражается в росте количества поглощенных фотоэлектродом световых квантов и в росте величины генерируемого фототока. Фотоэлектроды, приготовленные на основе нанопорошков TiO2 с различным соотношением структурных фаз анатаза и рутила, были использованы для создания серии образцов ПСЭ со структурой стекло/FTO/TiO2/CH3NH3PbI3/Spiro-MeO-TAD/Au. Сравнительные измерения фотовольтаических параметров данной серии ПСЭ при стандартном освещении AM1.5 (1000 Вт/м2) на открытом воздухе и при относительной влажности ~ 50-60% (ambient conditions) показали, что максимальное КПД наблюдалось в в ПСЭ на основе фотоэлектродов со смешанной структурной фазой (анатаз/рутил 86/14 %) и составило 9,3%, что оказалось значительно выше эффективности ПСЭ, на основе фотоэлектродов из чистого анатаза, которая составляла 6,5%. При этом полученная зависимость эффективности ПСЭ от соотношения структурных фаз анатаза и рутила имеет максимум при указанном выше соотношении структурных фаз. Последнее мы объясняем синергетическим эффектом, который заключается в данном случае в механизме частичного переноса фотовозбужденных носителей заряда из зоны проводимости частиц с более высокой величиной запрещенной зоны к частицам с меньшей величиной запрещенной зоны, что, как было показано в ряде теоретических публикаций, уменьшает потери при переносе заряда через объем конденсированного слоя на основе наночастиц со смешанной фазой. 4. Были подробно изучены оптические характеристики разработанных фотоэлектродов на основе тонких мезоскопических слоев TiO2 в диапазоне длин волн 300 -1200 нм до и после нанесения перовскитного материала. Было показано, что в фотоэлектродах на основе смешанной структурной фазы анатаз/рутил ширина запрещенной зоны уменьшается по мере увеличения содержания фазы рутила. В образцах TiO2, допированного ниобием, с увеличением степени допирования прослеживалась противоположная зависимость, когда ширина запрещенной зоны 3,07 эВ в недопированных образцах изменялась до значения 3,2 эВ в образцах, содержащих 2,7% ниобия. 5. Проведены измерения спектральных характеристик IPCE (incident photon to power conversion efficiency) в оптическом диапазоне 350–1200 нм для ПСЭ, сконструированных на основе фотоэлектродов с изменяемой смешанной структурной фазой. Показано, что поведение спектральной характеристики IPCE для ПСЭ на основе фотоэлектродов со смешанной структурной фазой косвенно соответствует данным фотовольтаических параметров, полученных при измерении вольт-амперных характеристик тех же образцов при освещении в режиме AM1.5. В ПСЭ, сконструированном на основе TiO2 с соотношением фаз анатаз/рутил 86/14 %, наблюдалась лучшая среди всех образцов спектральная характеристика, соответственно и вольт-амперная характеристика данного образца также демонстрирует наиболее высокие параметры с КПД преобразования 9,3%. 6. Проведено конструирование измерительного стенда, который позволяет исследовать поведение фотовольтаических параметров ПСЭ в условиях изменения интенсивности освещения поверхности фотопреобразователя спектром солнечного излучения в пределах 10 – 1000 Вт/м2. Было показано, что зависимость плотности тока короткого замыкания от освещенности для ПСЭ является линейной во всем диапазоне интенсивностей освещения (10 – 1000 Вт/м2), т.е. величина JSC спадает пропорционально уменьшению освещенности. Зависимость напряжения холостого хода VOC от интенсивности освещения носит монотонный характер и на полулогарифмическом графике представляет собой прямую. Зависимость фактора заполнения от интенсивности освещения, также как и эффективности фотопреобразования ПСЭ, имеет явно выраженный двухстадийный характер – при интенсивностях освещения в диапазоне 200 – 1000 Вт/м2 фактор заполнения практически не меняется, тогда как при интенсивностях освещения от 10 до 100 Вт/м2 значение FF уменьшается практически на 40%. В случае с эффективностью ПСЭ наблюдается даже небольшое увеличение по сравнению со стандартными условиями освещения AM1.5 при интенсивностях освещения 530 Вт/м2 и 230 Вт/м2, что является важным результатом научной работы, выполненной в 2017 году.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Основной целью работ 2018 года было совершенствование технологии создания и разработка перспективных видов перовскитных солнечных элементов (ПСЭ) для эффективной работы в условиях как высокой, так и низкой солнечной радиации и диффузного освещения. Были получены и исследованы новые виды ПСЭ с промежуточными буферными слоями из сульфида кадмия, а также с фотоэлектродами на основе нанокструктурированных материалов ZrO2-Y2O3 с очень широкой запрещенной зоной. Основным преимуществом разработанных ПСЭ являются высокие параметры эффективности преобразования солнечной энергии как в стандартных условиях освещения 1000 Вт/м2 (спектр AM1.5G), так и при изменяемой интенсивности в диапазоне 10 - 1000 Вт/м2, где КПД указанных ПСЭ фотопреобразователей практически не изменяется. Выполнение научных задач проекта в 2018 проводилось тремя последовательными этапами. На первом этапе для увеличения эффективности ПСЭ была проведена модернизация оборудования и технологии конструирования солнечных элементов. Для этой цели на средства гранта РНФ был приобретен специальный герметизированный перчаточный бокс с контрольными и измерительными системами, что позволило осуществлять весь цикл получения образцов ПСЭ в инертной атмосфере и в условиях контролируемой низкой влажности. Новые технологические подходы позволили существенно улучшить фотовольтаические характеристики ПСЭ и увеличить эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую (КПД) до ~ 16%. На втором этапе проведен цикл экспериментальных работ, позволивший улучшить фотовольтаические характеристики ПСЭ и увеличить КПД. Для этой цели в классическую компоновку ПСЭ между фотоэлектродом и слоем перовскитного материала был включен дополнительный тонкий буферный слой сульфида кадмия (CdS). Включение в конструкцию блокирующего дырки буферного слоя привело к модификации границы раздела фотоэлектрод/перовскит и уменьшению влияния рекомбинационных процессов. Для внедрения буферного слоя был разработан и использован метод CBD (chemical bath deposition). В результате были разработаны и исследованы ПСЭ на основе фотоэлектродов со структурой CdS/TiO2/защитный слой/FTO/стекло. Максимальная эффективность фотопреобразования получена для ПСЭ с буферным слоем CdS толщиной 49 нм и составил 12.07 %, что оказалось на 13.8% выше, чем для ПСЭ без буферного слоя. Исследования методами ультрафиолетовой (UPS) и рентгеновской (XPS) фотоэлектронной спектроскопии дали информацию об особенностях поведения энергетических зон на границах раздела фаз в системе фотоэлектрод/буферный слой/перовскит. Показано, что эффективность ПСЭ с буферным слоем увеличивается за счет снижения рекомбинационные потерь на границе раздела фотоэлектрод/перовсит. Была проведена оценка стабильности элементов со структурой CdS/TiO2/защитный слой/FTO/стекло, для чего после недельной выдержки образцов на открытом воздухе проводились повторные измерения фотоэлектрических параметров ПСЭ. В образцах без CdS и с буферным слоем толщиной 49 нм, нормализованные значения КПД для ПСЭ с CdS через сутки сначала возрастают, а затем падают на 2,8% на 3 сутки измерений. В то же время деградация ПСЭ без слоя CdS происходит более заметно и снижалась на 10%. Таким образом мы показали, что введение буферного слоя CdS увеличивает стабильность ПСЭ при их эксплуатации на открытом воздухе в естественных условиях повышенной влажности. Другим направлением работ по созданию ПСЭ, адаптированных для эффективной работы в условиях изменяемой солнечной радиации стала разработка новых типов наноструктурированных фотоэлектродов, в которых нами впервые были использованы металло-оксидные наночастицы с очень большой шириной запрещенной зоны (> 5 Эв) на основе недопиронного и допированного оксида циркония (ZrO2). Для этой цели наночастицы ZrO2, допированного Y2O3, были синтезированы дегидратацией совместно осажденных гидроксидов в гидротермальных условиях. Конструирование образцов ПСЭ проводилось как в атмосферных условиях при высокой влажности (порядка 50-60%), так и в специальных условиях инертной атмосферы с использованием “перчаточного бокса”. В результате были получены ПСЭ со структурой стекло/FTO/ZrO2-Y2O3/CH3NH3PbI3/spiro-MeOTAD/Au, в которых содержание Y2O3 составляло 0 (недопированная система), 3 и 10 мол%. Для ПСЭ, полученных в условиях высокой влажности наилучшие результаты получены для образцов с фотоэлектродом на основе ZrO2/10 мол% Y2O3, где КПД составило 10,5% и значительно превышает КПД ~ 5% для образцов на основе недопированного ZrO2. В рамках третьего этапа работ проведены исследования основных фотоэлектрических параметров всех типов разработанных ПСЭ. Получены спектры действия фототока, измерены спектральные характеристики IPCE (incident photon to power conversion efficiency), получены вольт-амперные характеристики при интенсивности освещения 1000 Вт/м2 (стандарт AM1.5) и при изменяемой интенсивности освещения в диапазоне 10 - 1000 Вт/м2. Проведены измерения параметров ПСЭ методом импедансной спектроскопии (EIS). Проведены также измерения основных характеристик ПСЭ в условиях диффузного освещения низкой интенсивности (~500–1000 лк) внутри помещения. Представлен теоретический подход, описывающий механизмы фотогенерации носителей заряда в высокоэффективных ПСЭ в различных условиях освещения. Сравнительные исследования параметров классических ПСЭ на основе TiO2 фотоэлектродов, приготовленных в условиях высокой влажности, ~ 50-60%, показали, что в традиционных СЭ на основе кристаллического кремния (КСЭ) при высокой интенсивности освещения 1000 Вт/м2 (спектр АМ1.5G) КПД примерно в 1.5 раза превышает эффективность ПСЭ. Однако, по мере уменьшения интенсивности освещения эффективность КСЭ существенно падает: при 10 Вт/м2 КПД становится ~ 3.3%, что примерно в 5 раз ниже, чем при освещении 1000 Вт/м2. При этом показано, что эффективность ПСЭ (при изменении освещения от 1000 до 10 Вт/м2) снижается всего на 20%. Таким образом, при низких уровнях солнечной радиации, а также в условиях рассеянного освещения ПСЭ с наноструктурированными фотоэлектродами на основе диоксида титана оказываются значительно более эффективными, по сравнению с традиционными фотопреобразователями на основе кремния. Для серии ПСЭ на основе TiO2 мезоскопических фотоэлектродов со смешанной структурой анатаза и рутила проведены исследования в условиях изменяемой интенсивности освещения (10-1000 Вт/м2). Получены данные фотовольтаических параметров для образцов на основе чистого анатаза, чистого рутила и для смесей с преимущественным содержанием анатаза. Показано, что вне зависимости от структурного состава наноструктурированного фотоэлектрода на основе диоксида титана солнечные элементы типа ПСЭ при низких уровнях солнечной радиации, а также в условиях рассеянного освещения показывают тенденции, аналогичные классическим ПСЭ на основе TiO2. Для ПСЭ с буферным слоем CdS получены сравнительные данные по влиянию интенсивности освещения на эффективность фотопреобразования для образца без буферного слоя и с буферным слоем CdS толщиной 49 нм. Показано, что введение буферного слоя повышает эффективность солнечного элемента в условиях низкой освещенности. В диапазоне интенсивностей освещения 100-1000 Вт/м2 КПД образца ПСЭ со слоем CdS выше, чем для контрольного образца. При уровне солнечной инсоляции около 500 Вт/м2 наблюдается максимум эффективности преобразования в 12,7%, что выше на ~ 5%, чем аналогичный показатель при 1000 Вт/м2. Были сконструированы и исследованы при различных интенсивностях освещения (10-1000 Вт/м2) ПСЭ на основе допированных ионами калия систем со структурой типа стекло/FTO/TiO2/CH3NH3(Pb:K)I3/spiro-MeOTAD/Au. Показано, что плотность тока короткого замыкания допированных ПСЭ линейно зависит от интенсивности освещения. Значения коэффициента заполнения остаются высокими в области от 10 до 100 Вт/м2. В результате установлено, что допированные калием ПСЭ демонстрируют более высокий по отношению к стандартным образцам на основе перовскитного материала КПД только при интенсивностях освещения выше 300 Вт/м2. Методом импедансной спектроскопии (EIS) были исследованы образцы ПСЭ из основных серий, полученных на первом и втором этапах. Было показано, что для образцов ПСЭ на основе слоев TiO2 с высоким содержанием рутила осуществляется более эффективный перенос электронов через границу раздела перовскит/TiO2 и снижается вероятность рекомбинационных процессов на границе раздела диоксид титана – перовскит. Продемонстрированы высокие фотовольтаические характеристики для образца ПСЭ с соотношением анатаз/рутил 60/40. Был установлен механизм улучшения фотовольтаических параметров для ПСЭ на основе допированных калием перовскитных слоев. Исследование методом импедансной спектроскопии при изменяемой интенсивности освещения (в диапазоне 10-1000 Вт/м2) показало, что с уменьшением интенсивности освещения наблюдается замедление процессов переноса заряда через границу раздела диоксид титана – перовскит вследствие увеличения сопротивления мезоскопического слоя диоксида титана. Также было показано, что с уменьшением интенсивности освещения снижаются рекомбинационные процессы на границе раздела диоксид титана – перовскит. Полученные результаты позволили качественно объяснить полученные зависимости эффективности ПСЭ от интенсивности освещения. Проведено исследование образцов ПСЭ большой площади (около 1 см2) в реальных условиях при различном уровне освещения и в разных погодных условиях с использованием измерительного стенда, установленного на крыше здания ИБХФ РАН. Полученные данные показывают, что ПСЭ способны эффективно работать как в солнечную, так и в пасмурную погоду. В условиях пасмурной погоды ПСЭ позволяют генерировать больше энергии по сравнению с солнечными элементами на основе кремния (с-Si).

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Основной целью работ 2019 года было совершенствование технологии создания перовскитных солнечных элементов (ПСЭ) для эффективной работы в условиях как высокой, так и низкой солнечной радиации и диффузного освещения. Образцы ПСЭ конструировались с использованием перовскитных материалов различной структуры (CH3NH3PbI3 или перовскит с тройным катионом) как на открытом воздухе в условиях повышенной влажности, так и в инертной атмосфере перчаточного бокса при контролируемой низкой влажности. Повышение кристалличности перовскитного слоя, а также оптимизация структуры TiO2 фотоэлектродов и модификация их поверхности сульфат-группами позволили улучшить эффективность ПСЭ на ~ 30%. Повышение качества сборки образцов и изменение условий нанесения их компонентов привело к значительному повышению (в 1.5-2 раза) КПД ПСЭ на основе чистого и допированного Y2O3 наноструктурированного ZrO2. Важным достижением 2019 года является разработка методики оптимизации ПСЭ для получения высоких эффективностей преобразования солнечной энергии в электрическую как в стандартных условиях освещения 1000 Вт/м2 (AM1.5G), так и при изменяемой интенсивности освещения в диапазоне 10-1000 Вт/м2. Было показано, что наличие рекомбинационных процессов на границе раздела TiO2/перовскит является основным фактором, лимитирующим работу солнечного элемента при низких уровнях солнечной радиации, были изложены основные способы решения этой проблемы. Выполнение проекта в 2019 году осуществлялось в два последовательных этапа. На первом этапе в сравнении с данными 2018 года была улучшена эффективность классических ПСЭ, сконструированных на открытом воздухе, на ~ 12% (c 10.4% до 11.6%) и была повышена воспроизводимость значений их фотовольтаических параметров путем использования нового оборудования, спин-коутера spinNGX-P1A (Apex Instruments, Индия), приобретённого на средства настоящего гранта РНФ, а также новых методов повышения качества формирования перовскитных слоев. Была разработана эффективная методика герметизации ПСЭ, которая позволяет понизить влияние окружающей среды на эффективность ПСЭ и повысить их долговременную стабильность. КПД герметизированных по новой методике ПСЭ при экспозиции в течение нескольких месяцев на открытом воздухе в условиях высокой влажности понизился менее чем на 20% по сравнению с исходными значениями. В 2019 году были завершены исследования по оптимизации границы раздела TiO2/перовскит в ПСЭ. Модификация поверхности TiO2 фотоэлектродов сульфатными группами методом химического осаждения (CBD) позволила снизить число дефектов на поверхности TiO2 и рекомбинационные процессы на границе раздела фаз TiO2/перовскит. Это привело к видимому улучшению (на 5-10%) эффективности преобразования в ПСЭ как на основе классического перовскитного материала CH3NH3PbI3, так и перовскитного материала с тройным катионом: максимальное значение КПД в первом случае составило 12.0%, во втором – 17.6%. Предложенный CBD-метод оказался более эффективным, чем традиционно используемый способ обработки электронпроводящего слоя в растворе TiCl4. Также в 2019 году были продолжены и завершены работы по конструированию и исследованию ПСЭ на основе наноструктурированных слоев ZrO2, допированных Y2O3. Повышение качества сборки образцов и изменение условий нанесения их компонентов привело к значительному повышению (в 1.5-2 раза) КПД ПСЭ с фотоэлектродами на основе ZrO2-Y2O3. Наряду с исследованными ранее наноструктурированными слоями ZrO2, допированными Y2O3 в концентрациях 3 мол.% и 10 мол.%, были разработаны тонкие пленки ZrO2-Y2O3 с концентрацией допирования 7.5 мол.%, 12 мол.%, 18 мол.% и 23 мол.%. Исследование работы ПСЭ с фотоэлектродами на основе ZrO2-Y2O3 показало преимущество допированных фотоэлектродов по сравнению с электронпроводящими слоями на основе частиц ZrO2 и TiO2. Максимальное значение эффективности преобразования (13.3% для ПСЭ созданных на открытом воздухе, 16.7% для ПСЭ созданных в инертной атмосфере) было получено для перовскитных солнечных элементов с фотоэлектродом ZrO2- 3 мол.% Y2O3, что значительно превысило КПД для ПСЭ на основе ZrO2 и TiO2 (12.1% и 11.7% для солнечных элементов созданных на открытом воздухе, 15.6% и 15.7% для солнечных элементов созданных в инертной атмосфере, соответственно). Были завершены работы по исследованию влияния структурного состава фотоэлектрода на основе TiO2 (соотношение анатаз/рутил) на эффективность преобразования в ПСЭ. Показано, что для ПСЭ на основе перовскитного материала с тройным катионом, сконструированных в инертной атмосфере перчаточного бокса, максимальный КПД (15.9%) наблюдается для образца с TiO2 фотоэлектродом с соотношением анатаз/рутил 60/40. На втором этапе выполнения работ в 2019 году был разработан физико-химический подход к оптимизации ПСЭ для их адаптации к работе в условиях низкой освещенности. Для этого были обобщены и проанализированы данные по изучению влияния интенсивности освещения на эффективность ПСЭ различной структуры, полученные за все время выполнения проекта с 2017 по 2019 год. Установлено, что КПД ПСЭ при низком уровне солнечной радиации существенно зависит от структурных свойств мезоскопического фотоэлектрода, включая такие параметры как размер частиц и гомогенность слоя TiO2, а также от степени кристалличности и размера зерен перовскитного материала. Показано, что рекомбинационные процессы на границе раздела TiO2/перовскит оказывают значительно большее влияние на эффективность ПСЭ при низких интенсивностях освещения, чем эффективность переноса зарядов через электронпроводящий и перовскитный слои. Таким образом, при конструировании ПСЭ для эксплуатации в реальных условиях оптимизация границы раздела TiO2/перовскит является первостепенной задачей. Был разработан ПСЭ, адаптированный к работе в условиях низкой освещенности. Для этого в ПСЭ была последовательно проведена оптимизация состава электронпроводящего слоя, свойств перовскитного материала и границы раздела TiO2/перовскит. На основании полученных данных для получения максимальных значений КПД были выбраны TiO2 фотоэлектроды на основе частиц чистого анатаза, а перовскитный материал CH3NH3PbI3 был допирован ионами калия. Оптимизация границы раздела TiO2/перовскит была осуществлена путем модификации поверхности TiO2 ионами SO42- в процессе осаждения CdS методом CBD в течение 1.5 мин. Для ПСЭ с модифицированной ионами SO42- границей раздела TiO2/перовскит при интенсивности освещения 500 Вт/м2 было получено значение КПД 13.75%, что на 5% превысило аналогичный показатель при интенсивности освещения 1000 Вт/м2. Завершающей стадией создания оптимизированнного ПСЭ (оПСЭ), адаптированного для работы в условиях низкой освещенности, стало использование при его конструировании перовскитного материала с добавкой 1% тиоционата свинца Pb(SCN)2, в результате чего КПД образцов при 1000 Вт/м2 вырос на 6%, а при 125 Вт/м2 – на 15%. В отличие от всех других разработанных нами типов ПСЭ эффективность преобразования оПСЭ при снижении интенсивности освещения до 125 Вт/м2 возрастает и составляет 14.5%. При 500 Вт/м2 КПД для оПСЭ сопоставим с показателем для солнечного элемента на основе кристаллического кремния (c-Si), тогда как при 10 Вт/м2 КПД для оПСЭ превышает КПД для c-Si в 4 раза. Обнаруженное преимущество разработанного нами оптимизированного ПСЭ в эффективности преобразования световой энергии в условиях низкой освещенности и диффузного освещения перед традиционными солнечными элементами на основе кристаллического кремния является важнейшим результатом работ по выполнению проекта с 2017 по 2019 годы. Наиболее эффективные образцы ПСЭ, адаптированные к работе в условиях низкой освещенности, были исследованы методом импедансной спектроскопии при изменяемой интенсивности освещения (в диапазоне 10-1000 Вт/м2) на каждой стадии оптимизации. Было проведено моделирование спектров импеданса с использованием различных эквивалентных схем и определены параметры, характеризующие основные процессы переноса и накопления зарядов в исследованных ПСЭ. Был проведен анализ значений фактора идеальности для образцов ПСЭ, адаптированных для работы в условиях низкой освещенности. Показано, что для стандартных ПСЭ эффективность преобразования в условиях низкой освещенности определяется влиянием двух процессов – уменьшением рекомбинации в ПСЭ и замедлением процесса переноса заряда на границе раздела TiO2/перовскит. В диапазоне освещенностей 100 – 1000 Вт/м2 больший вклад вносит уменьшение процессов рекомбинации, тогда как в условиях низкой освещенности (менее 100 Вт/м2) возрастает влияние внутреннего сопротивления процессу переноса носителей заряда в слое TiO2, что приводит к снижению напряжения холостого хода, фактора заполнения и, следовательно, КПД. Для образцов ПСЭ, адаптированных для работы в условиях низкой освещенности, наблюдается как ускорение процессов переноса электронов через границу раздела TiO2/перовскит, так и уменьшение рекомбинационных процессов на границе раздела и в объеме перовскитного материала. Для образцов ПСЭ с модифицированной ионами SO42- границей раздела TiO2/перовскит в сочетании с перовскитным материалом с добавкой тиоцианата свинца было получено значение фактора идеальности 1.5. Таким образом, в результате оптимизации структуры ПСЭ была подавлена рекомбинация на границе раздела TiO2/перовскит, что привело к увеличению КПД в оптимизированных ПСЭ до 14.5% при интенсивности освещения 125 Вт/м2. Также были разработаны улучшенные образцы ПСЭ большой площади (около 1 см2), которые были герметизированы с помощью специальной УФ-отверждаемой эпоксидной смолы, и проведен мониторинг их работы на крыше здания ИБХФ РАН. Полученные данные мониторинга показали, что ПСЭ способны эффективно работать в течение большей части светового дня, как в солнечную, так и в пасмурную погоду. В условиях пасмурной погоды и низкой солнечной инсоляции (в утренние и вечерние часы) ПСЭ позволяют генерировать больше энергии по сравнению с солнечными элементами на основе кремния (с-Si), за счет более эффективной работы в условиях низкоинтенсивного и рассеянного освещения. Было показано, что ПСЭ на основе перовскита с тройным катионом характеризовались более высокой стабильностью в реальных условиях эксплуатации в сравнении с ПСЭ на основе классического перовскитного материала CH3NH3PbI3. Для уменьшения деградации ПСЭ при работе в реальных условиях (в точке максимальной мощности) необходимо предотвратить процессы деградации, связанные с поглощением слоем TiO2 в УФ-области и генерацией на поверхности TiO2 кислородных радикалов, разрушающих перовскитный материал. Перспективными материалами с этой точки зрения представляются фотоэлектроды на основе допированного оксида циркония. Полученные результаты имеют существенную научно-практическую значимость, т.к. открывают возможность эффективного использования разрабатываемых видов ПСЭ в условиях средних и северных широт Российской Федерации, где доминируют погодные условия с преимущественно пасмурной погодой и низким уровнем солнечной радиации.