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 19-19-00683

НазваниеРезонансные оптические наноструктуры для улучшения фотовольтаических и оптоэлектронных устройств на основе перовскитов

РуководительЛадутенко Константин Сергеевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО", г Санкт-Петербург

Период выполнения при поддержке РНФ

2019 г. - 2021 г.

Конкурс№35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-206 - Нано- и мембранные технологии

Ключевые словаНанофотоника, гибридные перовскиты, солнечные элементы, светодиоды, лазерная абляция, наночастицы, резонансы Ми, наноантенны, метаповерхности, плазмоны

Код ГРНТИ29.19.22

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Разработка солнечных элементов и оптоэлектронных устройств на основе гибридных (органо-неорганических) перовскитов является одним из наиболее перспективных направлений в современной науке благодаря низкой стоимости изготовления и высокой эффективности (до 23.3%). Актуальность этого направления работы подтверждается стремительным ростом числа публикаций по тематике перовскитной фотовольтаики, в базе Web of Science по запросу perovskite solar cell в 2013 году указано менее 60 работ, в 2017 году число научных работ превысило 3000. При создании солнечных элементов из гибридных перовскитов ключевую роль играет толщина перовскитного слоя: если его толщина менее 300 нм, то такие пленки слабо поглощают индуцированный свет, при толщинах выше 600 нм высока вероятность рекомбинации зарядов. Поэтому на данный момент создание тонкопленочных перовскитных солнечных элементов с эффективным поглощением света является актуальной задачей. При этом возникает фундаментальная проблема связанная с необходимостью управления светом на субволновых масштабах при одновременном контроле за генерацией, движением и рекомбинацией носителей заряда. Недавно нами было показано, что диэлектрические оптически резонансные наночастицы являются крайне привлекательными для внедрения их в перовскитные солнечные элементы с целью более эффективного поглощения света при одновременном улучшении электрофизических характеристик. Сопутствующий эффект заключается в том, что подобные частицы приводят к увеличению люминесценции перовскитных плёнок. Настоящий проект ставит своей целью сделать следующий шаг в области перовскитной фотовольтаики – интегрировать хорошо зарекомендовавшие себя оптически резонансные наночастицы в новый класс перовскитной фотовольтаики - гибридные солнечные элементы с функцией светодиодов. Действительно, солнечные элементы, демонстрирующие эффективную электролюминесценцию крайне перспективны для создания портативных дисплеев и источников света, способных в дневное время вырабатывать электроэнергию. Однако их эффективности в настоящее время крайне малы, даже при использовании перовскитов. Практическую ценность подобных устройств после их вывода на рынок сложно недооценить, особенно ввиду широкой распространенности мобильных устройств при низких темпах улучшения характеристик применяемых аккумуляторов. Основной целью проекта является разработка и экспериментальная верификация модели для оптимизации фотовольтаических и оптоэлектронных устройств на основе гибридных перовскитов с интегрированными резонансными наночастицами (как диэлектрическими или металлическими, так и плазмонными, типа ядро-оболочка). Разрабатываемая модель будет содержать несколько аналитических и численных модулей и оформлена в виде специализированного программного комплекса. Совместное использование модулей должно привести к возможности реалистичного предсказания оптических и электрических характеристик создаваемых структур. После первичной верификации модели по ранее изготовленным экспериментальным образцам, планируется разработка оптимизированных дизайнов всех трёх типов устройств на основе перовскитов: солнечных элементов, светодиодов и гибридных солнечных элементов с функцией светодиодов. При этом будут учитываться существующие технологические ограничения на возможные геометрические и материальные параметры структур и наночастиц. Применение комплексного подхода позволит теоретически исследовать и оценить возможные выгоды от создания оптоэлектронных устройств, базирующихся на новых для фотовольтаики физических принципах, хорошо известных в тематике метаматериалов. В частности, возможно увеличение люминесценции в гибридном устройстве из-за эффекта Парселла. Или, например, планируется задать резонансные свойства и положения наночастиц таким образом, что эффективное значение диэлектрической постоянной в материале окажется близко к нулю (epsilon-near-zero material), что в свою очередь позволит управлять направленностью вывода излучения. Также будет рассмотрена интеграция метаповерхностей с высокодобротными модами в перовскиты. На финальном этапе работы планируется практическая реализация новых дизайнов и итеративное уточнение создаваемой модели. Например, в структурах, сильно оптимизированных с точки зрения оптических и электрофизических параметров, фактором, ограничивающим дальнейший рост их эффективности, могут стать тепловые эффекты. В перспективе в модель может быть добавлен химический модуль, необходимый для предсказания и оптимизации деградации рабочих характеристик на протяжении срока службы создаваемых устройств.

Ожидаемые результаты
Основным результатом работы будет экспериментально верифицированная теоретическая модель, учитывающая оптические, электрофизические и тепловые эффекты в фотовольтаических и оптоэлектронных приборах на основе перовскитов с применением оптически резонансных наночастиц. Модель будет содержать несколько аналитических и численных модулей и оформлена в виде специализированного программного комплекса. В ходе выполнения работ будет разработано несколько серий оптимизированных дизайнов оптоэлектронных устройств с различным функциональным назначением, улучшенных за счёт применения наночастиц. Внутри каждой серии будет проводиться разработка нескольких видов дизайнов (например с использованием монодисперсных частиц, разнообразных материалов в слоистой структуре и т.д.), что позволит сократить общие риски проекта при возникновении технологических проблем для какого-то конкретного вида дизайнов. В итоге планируется изготовить оптимизированные образцы оптоэлектронных устройств использующих оптически резонансные наночастицы для улучшения своих рабочих характеристик. Наличие достоверной модели обеспечит возможность быстрого прототипирования новых конструкций фотовольтаических и оптоэлектронных устройств с рекордными характеристиками, в том числе и в новом классе перовскитной фотовольтаики - гибридные солнечные элементы с функцией светодиодов. Это в полной мере соответствует мировому уровню исследований, а в некоторых аспектах даже превосходит его средний уровень.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---