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.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 23-49-10044
НазваниеЛазерно-плазменные технологии получения функциональных металл-полупроводниковых наноматериалов и проводящих структур для оптоэлектроники и солнечной энергетики
РуководительКучмижак Александр Андреевич, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регионфедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет", г Санкт-Петербург
| Годы выполнения при поддержке РНФ | 2023 - 2025 |
КонкурсКонкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (БРФФИ)
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-711 - Методы наноструктурирования (нанолитография и сопутствующие процессы)
Ключевые словаимпульсная лазерная абляция в жидкостях; лазерно-индуцированный синтез; наночастицы и наноматериалы; плазмонные, полупроводниковые и гибридные металл-полупроводниковые наночастицы; тонкопленочные фотодетекторы; сетчатые электроды; перовскитные солнечные элементы;
Код ГРНТИ29.31.47
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Внедрение функциональных наноматериалов в передовые устройства фотовольтаики является общемировым трендом, давно вышедшим за пределы научных лабораторий. Во многом, данный тренд отражает стремление к созданию гибких и дешевых в изготовлении тонкопленочных устройств с расширенным функционалом, который невозможно реализовать с использованием стандартных объемных полупроводников. Среди ярчайших примеров таких практически значимых оптоэлектронных устройств, для улучшения характеристик которых уже активно используются наноматериалы, можно выделить тонкопленочные фотодетекторы, а также солнечные элементы на основе свинцово-галогенидных перовскитов, эффективность преобразования которых (>25 %) всего за десять лет вплотную подобралась к показателям гомопереходных солнечных элементов на основе монокристаллических полупроводников и позволила установить рекорд эффективности однокаскадных солнечных элементов в тандеме с кремнием (~30%). Внедрение наночастиц в указанные устройства позволяет добиться эффективного широкополосного поглощения солнечной энергии даже для тонкопленочных конфигураций за счёт эффектов конверсии фотонов с повышением или понижением частоты, плазмонных резонансов и генерации горячих носителей заряда. Вместе с тем, ряд вопросов, связанных с фундаментальным пониманием влияния фазового состава, а также размера и морфологии внедряемых наночастиц на характеристики полученных устройств фотовольтаики, до сих пор остаются малоизученными. Кроме того, перспективными, но еще практически не исследованными, подходами к дальнейшему увеличению эффективности солнечных элементов и фотодетекторов является внедрение гибридных наноматериалов различной конформации (ядро-оболочка, ядро-сателлиты и т.д.), сочетающих свойства и функциональность полупроводниковых и плазмонных наноструктур. Наконец, эффективные методы получения полупроводниковых и гибридных наноструктур для решения задач разработки оптоэлектронных устройств нового поколения в настоящее время практически не решены или решены только для отдельных типов наноматериалов.
С точки зрения получения химически чистых наноматериалов высокого качества, пригодных для производства тонкопленочных фотодетекторов и солнечных элементов нового поколения, перспективными выглядят разнообразные высокопроизводительные и масштабируемые лазерные технологии. Среди таких технологий, следует выделить жидкофазные лазерно-плазменные подходы, а также методы лазерно-индуцированного синтеза. В частности, развитие быстрых систем развертки и сканирования лазерным пучком мишени, а также сверхбыстрые (до десятков МГц) частоты следования импульсов обеспечивают высокие скорости генерации наноматериалов в процессе абляции мишеней и суспензий наноматериалов, в то время как гибкая оптимизации параметров лазерного воздействия, типа жидкости и используемого прекурсора позволяет варьировать морфологию и химический состав получаемых наноматериалов в широких пределах. Локализованное в фокальном пятне лазерное излучение может также рассматриваться как микромасштабный химический реактор, ограничивающий объем и характер протекания реакции фото-/термо-индуцированного разложения молекул прекурсора, приводящей к формированию в области облучения суспензии наночастиц, их осаждении на произвольном интерфейсе или даже поверхности других наночастиц (в случае проведения синтеза в суспензиях). Это открывает широкие перспективы использования методов лазерно-индуцированного синтеза как для производства функциональных наноматериалов (в том числе, гибридных - за счет возможности комбинации этого метода с абляционными), так и для получения функционализированных наночастицами интерфейсов и сплошных металлических осадков, как основы токопроводящих структур.
Вместе с тем, отсутствие детального понимания ключевых физико-химических процессов и механизмов, и как следствия, способности прецизионно управлять этими процессами за счет продуманного выбора физико-химических параметров экспериментальной системы, является основным сдерживающим фактором, ограничивающим возможность использования указанных подходов (абляции в жидкости и лазерно-индуцированного синтеза) для получения функциональных наноматериалов требуемого состава и конфигурации, а также их последующего использования для создания реальных устройств. Данный проект направлен на устранение данного пробела за счет развития высокопроизводительных лазерно-плазменных технологий синтеза функциональных металл-полупроводниковых наноматериалов, функционализированных наночастицами интерфейсов и проводящих структур, а также демонстрация базовых принципов, позволяющих применить указанные технологии для создания передовых устройств фотовольтаики.
Ожидаемые результаты
Основным результатом реализации международного проекта станет разработка ряда высокопроизводительных, гибких, масштабируемых и конкурентоспособных методов получения функциональных наноматериалов заданного состава, морфологии и структуры, а также эффективных способов реализации передовых оптоэлектронных устройств с использованием наноматериалов, полученных такими методами. Разработка таких методов будет основываться, прежде всего на комплексных фундаментальных исследованиях и описании специфики локализованных лазерным излучением различных физико-химических процессов (импульсная абляции мишеней, возбуждение плазмы, фото-/ термо-индуцированных реакций и т.д.), а также адаптации для задач проекта передовых технологических решений в области лазерного наноструктурирования (короткие и сверхкороткие лазерные импульсы, оптические системы контроля и развертки лазерных пучков, методы проекционной литографии и т.д.), что обосновывает высокую научную значимость реализации проекта. В практичеком плане, в ходе его реализации будут получены следующие ключевые результаты:
- Высокоэффективные лазерные (химические, абляционные, плазменные) методы получения металлических, полупроводниковых, сплавных и гибридных металл-полупроводниковых наночастиц с различными структурными конфигурациями (ядро-оболочка, ядро-сателлиты, сплавы, и т.д)
- Суспензии, порошки и интерфейсы, функционализированные синтезированными гибридными наночастицами высокой частоты с полностью охарактеризованными морфологическими, структурными, химическими и оптическими свойствами.
- Отработанные методы сборки гетероструктур из слоев заданной толщины, состоящих из наночастиц с различным типом проводимости.
- Высокопроизводительные лазерные методы изготовления оптимизированных под оптоэлектронные применения полупрозрачных 3D электродов на различных подложках (в том числе, гибких), а также прототипы таких электродов с полностью охарактеризованными свойствами.
- Дизайны и экспериментально протестированные прототипы солнечных элементов на основе свинцово-галогенидных перовскитов с внедренными в различные (активные и транспортные) слои металлическими, полупроводниковыми, сплавными и гибридными наночастицами.
- Макеты фотодетекторов, состоящих из слоев функциональных наночастиц, синтезированных с использованием лазерно-плазменных методов, с полностью измеренными рабочими характеристиками.
Разработанные технологические решения будет обладать хорошими перспективами коммерциализации и придадут импульс к развитию различных смежных научных и технологических областей, находящихся в русле направлений Н1 и Н2 Стратегии НТР Российской Федерации. Общественная значимость проекта заключается в том, что он направлен на развитие нового направления исследований с высоким уровнем научной и прикладной составляющей на стыке интенсивно развивающихся областей физико-химического синтеза функциональных наноматериалов, лазерной химии, методов наноструктурирования поверхностей, фотовольтаики и т.д. Реализация проекта будет способствовать обучению молодых исследователей на задачах высокого международного уровня, а также может привести к созданию стартапов и новых рабочих мест в инновационных секторах экономики.
Консолидированный международный коллектив исследователей имеет необходимый задел и опыт совместной работы, а также располагает всеми передовыми техническими возможностями для проведения экспериментальных исследований в области лазерно-плазменного синтеза и фотовольтаики на международном уровне. Следует также отметить, что сфера использования функциональных наноматериалов с заданными физико-химическими свойствами не ограничивается заявленными в проекте оптоэлектронными устройствами. В этой связи, проводимые исследования и разрабатываемые высокоэффективные лазерно-плазменные технологии будут иметь важное значение для смежных научных областей, например, создания новых катализаторов, фототермических преобразователей, нагревательных элементов, биосенсорных устройств для персонализированной медицины и биометрии, и т.д. Выраженный междисциплинарный характер предлагаемого исследования с участием в нем известных ученых будет способствовать эффективной передаче накопленного опыта и наработок в соответствующих областях знаний молодым специалистам, студентам и аспирантами, а также повышению уровня проводимых научных исследований и качества публикаций. Фундаментальные и прикладные результаты, полученные в рамках реализации настоящего проекта, предлагающего развитие позволят вывести эти важные исследования на новый уровень. По результатам работ планируется опубликовать не менее 12 научных статей в высокорейтинговых международных изданиях (например, таких как ACS Nano, ACS Applied Materials & Interfaces, Nanoscale, Advanced Optical Materials и т.д.), входящих в первый квартиль (Q1) базы данных «Сеть науки» (Web of Science) в соответствующих областях знаний.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ