КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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.

НазваниеНовые методы контроля и нейтрализации дефектов в структурах перовскитных фотопреобразователей

РуководительСаранин Данила Сергеевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС", г Москва

КонкурсКонкурс 2021 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Аннотация
Использование нового класса полупроводников для оптоэлектроники с молекулярной формулой ABX3, где A- органический катион CH3NH3+(MA+), CH2(NH2)2+ (FA+) или неорганический Cs+; B – катион металла (Pb; Sn; Ge или AgBi); и X- галогенидный анион (I-;Br-;Cl-) позволило совершить прорыв в разработке тонкопленочных устройств за последние 10 лет. Наиболее серьезные результаты были достигнуты в разработке солнечных элементов, в 2019 году был обновлен рекорд коэффициента полезного действия (КПД) с достижением величины 25.2 %. Причинами столь стремительного развития направления перовскитной фотовольтаики являются уникальное сочетание высоких электрофизических параметров (подвижность носителей зарядов 10^0-10^2 см2*В-1*с-1; диффузионные длины более 1 мкм; сниженные темпы объемной безызлучательной рекомбинации; широкий диапазон изменения запрещенной зоны от 1 до 2.4 эВ); прямозонное строение и возможность применения дешевых технологических методов получения фотопреобразователей. Важнейшим фактором для обеспечения высокой эффективности работы перовскитных оптоэлектронных устройств является точное соответствие энергетических уровней в гетеро структурах; оптимальные уровни концентраций носителей зарядов и снижение влияния дефектных состояний в объеме и интерфейсах. В последнее время перспективные низкоразмерные материалы все больше находят применение в качестве функциональных материалов для изменения свойств полупроводников или границ перехода устройств. Использование новых типов соединений, таких как функционализированный графен, халькогениды переходных металлов (с общей формулой MX2 и MX3, где M- это переходный металл, а X- халькоген) и максены (в первую очередь двумерные модификации Ti2C и Ti3C2) позволяет добиваться существенных изменений положения энергетических уровней и барьеров; пассивации дефектных состояний (ловушек), выполнять роль транспортных слоев, снижать темпы химического взаимодействия в структурах устройств. Применение этих соединений в их двумерной модификации в первую очередь будет способствовать созданию тонких слоев и пленок толщиной порядка единиц и десятков нанометров, которые с одной стороны будут обеспечивать более эффективный транспорт зарядов, а с другой за счет своей толщины и стабильности не окажут негативного эффекта на оптические свойства конечных устройств. Однако несмотря на серьёзный прогресс по повышению КПД перовскитных солнечных элементов с применением низкоразмерных полупроводников, существуют серьёзные пробелы в понимании физических процессов и природы возникновения дефектных состояний; энергии активации ловушек; профилей их распределения, а также уровней концентрации собственных носителей заряда в зависимости от режимов работы и внешнего воздействия. Поэтому важным направлением в области перовскитной оптоэлектроники является комплексный подход по исследованиям динамических процессов переноса заряда на переходах и в объеме устройств; определению типов и механизмов появления дефектов ловушек при внедрении двумерных материалов; а также изменениям в происходящих физических процессах при длительном воздействии различных факторов деградации. Применение точных методов анализа работы полупроводниковых структур является критически важным для понимания озвученных проблем, характерных для тонкопленочных устройств перовскитной оптоэлектроники. В данном проекте будут использованы современные методы характеризации полупроводников. Емкостные методы, релаксационная спектроскопия глубоких уровней и адмиттанса позволят получить спектры глубоких центров и дефектов, оценить их концентрацию и проследить за изменением их концентрации со временем. Емкостные измерения позволяют получить хорошее разрешение по глубине - до десятков нанометров - недоступное другим методам. Данный проект направлен на исследование новых подходов для повышения КПД и стабилизации работы солнечных элементов за счет целевого воздействия на заряженные дефекты функционализированными низкоразмерными материалами (трисульфидами металлов, карбидами металлов - максенами) и развития методов контроля свойств ловушек носителей зарядов релаксационной спектроскопией глубоких уровней.

Ожидаемые результаты
Исследования по предлагаемому проекту позволят существенно развить методы пассивации и диагностики дефектных центров в структурах перовскитных солнечных элементов (СЭ). Ожидается, что применение комплексного подхода позволит получить исчерпывающую информацию для выработки новой стратегии повышения фотоэлектрической стабильности и долговременной работы перовскитных фотовольтаических приборов. Планируемые научные результаты проекта: Исследование применения низкоразмерных материалов (максенов и трисульфидов металлов) для пассивации интерфейсов перовскитных СЭ, повышения эффективности транспорта/инжекции фотоносителей и снижения энергетических барьеров на переходах гетероструктур с перовскитными слоями. Развитие методов релаксационной спектроскопии глубоких уровней - РСГУ для количественной оценки параметров глубоких уровней, связанных с дефектами в перовскитных СЭ (энергии активации, концентрации центров, сечение захвата, положение центра и характерные времена релаксации). Исследование динамики изменения свойств дефектных центров в перовскитных СЭ с пассивированными интерфейсами в различных режимах работы и долговременных испытаниях, а также при воздействии внешних факторов деградации. Исследование зависимости изменений приборных характеристик и стабильности перовскитных СЭ к свойствам низкоразмерных материалов из класса халькогенидов переходных металлов, низкоразмерных карбидов титана Ti2C и Ti3C2 (максены), и твердых растворов TixZr1-xS3. Реализация проекта очень важна для понимания аспектов физики работы перовскитных оптоэлектронных солнечных элементов в контексте исследования влияния глубоких дефектов. Поэтому именно эта область исследований может в полной мере дать возможность глубокого изучения уникальных свойств галогенидных перовскитов и полного раскрытия потенциала технологии для альтернативной энергетики. Результаты, полученные при реализации проекта «Новые методы контроля и нейтрализации дефектов в структурах перовскитных фотопреобразователей», окажут влияние и на другие области применения подобных устройств. Использование массивов фотопреобразователей на больших площадях позволит разработать недорогие детекторные структуры, ПЗС матрицы, как на стандартных стеклянных подложках, так и на поверхностях произвольной формы. Эти функциональные особенности перовскитных тонкопленочных гетероструктур, будут иметь большой потенциал, например, для применения в современный приборах носимой электроники, смарт -гаджетах. Высокая чувствительность галогенидных перовскитов к свету низкой интенсивности может быть использована для автономного питания маломощной электроники, экосистем устройств интернета вещей, а также беспилотных летательных аппаратах и планерах.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
На первом этапе работ мы исследовали возможности применения перспективных низкоразмерных материалов, таких как максены (Ti3C2) и трисульфиды металлов (HfS3, TiS3). Мксены обладают высокой электропроводностью, а трисульфиды металлов селективно-транспортными свойствами. Поставленной задачей было исследование влияния используемого типа низкоразмерных материалов на интерфейсе С60 – медь на стабильность приборных характеристик ПСЭ. В результате эксперимента было определено, что при постоянном фотонасыщении наиболее стабильно работают устройства со максенами, они сохраняют 80% от начального КПД практически 1100 часов, в то время как эталонные устройства менее 1000 часов. Устройства с трисульфидами гафния и титана показали отсутствие снижения средних значений КПД на протяжении более 700 часов (испытания продолжаются). Используя комплекс измерений спектроскопии адмиттанса, DLTS и RDLTS, мы оценили изменения численных параметров дефектов для ПСЭ CsFAPbI3 с легированием Cl в условиях непрерывного фотонасыщения. Частичное замещение Cl-аниона в химическом составе перовскитового поглотителя улучшило значение КПД с 17,06 до 19,39%. Оценка стабильности при непрерывном фотонасыщении в условиях Voc показала увеличение периода стабилизации T80 с 650 ч до 1280 ч для устройств, легированных Cl, по сравнению с эталонными (CsFAPbI3). Мы обнаружили три вида заряженных дефектов в ПСЭ на основе стехиометрического трииодидного перовскита - CsFAPbI3: 0,41 эВ, рассчитанных из адмиттанса (возможно VI,); 0,37 эВ,рассчитанных из DLTS (возможно I-FA или V-Cs,) и 0,76 эВ, рассчитанных из R-DLTS (возможно I-Pb или Ii,). Дефекты в допированных Cl ПСЭ демонстрировали различные энергетические уровни: 0,42 эВ, рассчитанных из адмиттанса (возможно, VI); 0,53 и 0,57 эВ (возможно, VFA для обоих), м DLTS и R-DLTS соответственно. Мы предполагаем, что устранение дефектов замещения I-Pb в Cl-допированных ПСЭ значительно уменьшило влияние нерадиационной рекомбинации на работу устройства и улучшило эффективность переноса заряда. После воздействия внешних факторов деградации на ПСЭ на основе CsFAPbI3 появились ловушки в высоких концентрациях более 10^14 см-2 на уровнях 0,62 и 0,64 эВ (возможно, VI или Ii). Для устройств на основе CsFAPbI3-xClx значения энергии активации стали мельче - 0,41 эВ (возможно VI) и 0,29 эВ (возможно VCs). Мы обнаружили, что Cl-допирование, реализованное для ПСЭ CsFAPbI3, подавляет образование дефектов замещения (I-Pb, I-FA) и йодных междоузлий, которые могут вызвать неблагоприятные фазовые переходы и коррозию на границах раздела. Наше комплексное исследование четко показало, что замещение Cl-аниона изменяет механизмы образования дефектов и задерживает динамику структурной деградации в ПСЭ. Наличие вакансий (VI, VCs) остается критическим фактором для длительной стабильной работы ПСК на основе двойных катионных композиций. Настоящая работа дает новое представление о поведении дефектов в СПП при постоянном внешнем напряжении, выявляет критические точки для стратегии Cl-добавки и стабилизации работы устройства.

Публикации