Новые подходы к получению тонких пленок и монокристаллов гибридных органо-неорганических перовскитов для применения в фотовольтаике и оптоэлектронике

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 18-73-10224

НазваниеНовые подходы к получению тонких пленок и монокристаллов гибридных органо-неорганических перовскитов для применения в фотовольтаике и оптоэлектронике

Руководитель Тарасов Алексей Борисович, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

Конкурс №30 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

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

Ключевые слова гибридные перовскиты, перовскитная фотовольтаика, перовскитные солнечные элементы, химия растворов

Код ГРНТИ31.00.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Растущая потребность мировой экономики в доступных и географически распределенных энергетических ресурсах последние годы, в совокупности с истощением ресурсной базы, экологическими проблемами, угрозой глобального потепления и растущим числом техногенных катастроф, диктуют необходимость изменения глобального энергетического баланса и отказа от исчерпаемых природных ресурсов в пользу возобновляемых. Возобновляемые энергоресурсы, к которым относят солнечную, ветряную, гидро-, геотермальную и приливную энергии, в совокупности своих запасов способны полностью покрыть потребности человечества в энергии. Необходимо отметить, что все перечисленные виды энергии, кроме солнечной, являются по сути производными от нее, запасая ее в виде испаренной воды или движущихся воздушных масс. С этой точки зрения солнечная энергетика является одним из наиболее рациональных из перспективных направлений возобновляемой энергетики. Большую часть рынка фотовольтаических преобразователей составляют солнечные батареи на основе кристаллического кремния, которые до недавнего времени являлись наиболее успешным решением с точки зрения соотношения эффективность / стоимость. В 2009 году в качестве светопоглощающего соединения в солнечных элементах впервые были впервые использованы гибридные материалы с перовскитоподобной структурой с общей формулой ABX3, в котором в роли катиона A выступают композиции однозарядных катионов из набора Cs+, CH3NH3+, (NH2)2CH3+, в роли катиона B - композиции Pb2+, Sn2+, в роли аниона X - композиции галогенидов Cl-, Br-, I-. В соответствии с устоявшейся в современной научной литературе терминологией, данное семейство перовскитоподобных галогенидов принято называть гибридными органо-неорганическими перовскитами, а саму новую область создания и использования таких материалов и устройств на их основе - перовскитной фотовольтаикой. После демонстрации первых твердотельных перовскитных солнечных элементов с КПД 9% число публикаций по данной тематике испытало лавинообразный рост. Так в 2012 году было опубликовано 11 статей, в 2013 — 63, 2014 — 423, 2015 — 1109, 2016 — 1853, а в 2017 более 3000 статей. За 5 лет с момента возникновения этой области рекордные значения КПД перовскитных солнечных элементов, полученных в лабораторных условиях, продемонстрировала стремительный рост с 9% до 23% (в 2018 году), что уже сейчас превысило показатели, достижимые с использованием поликристаллического кремния. При этом формирование функциональных слоёв перовскитных солнечных элементов может быть целиком выполнено с использованием растворных методов при температурах близких к комнатной, что делает технологию их изготовления потенциально более дешевой и простой в сравнении с кремниевыми фотоэлементами. Однако необходимо отметить, что за короткий период развития перовскитных солнечных батарей образовался значительный разрыв между достигнутыми, в результате преимущественно инженерно-технологических работ, значениями КПД и стабильности перовскитных солнечных батарей и уровнем понимания фундаментальных химических процессов и физических закономерностей, обуславливающих столь высокие показатели. Основной сложностью, препятствующей выходу производства перовскитных модулей на индустриальный уровень, является отсутствие методов формирования тонких (~500нм) пленок светопоглощающего слоя перовскита высокого качества на больших площадях. Практика показывает, что оптимизированные в лабораторных условиях растворные методы формирования слоя перовскита не могут быть перенесены на большие площади с сохранением высокого качества данного материала в силу ряда причин, по-видимому, фундаментального характера. Это делает чрезвычайно актуальным исследование физико-химический особенностей получения тонких пленок гибридных перовскитов и поиск новых методов формирования светопоглощающего слоя перовскитных солнечных элементов, обеспечивающих хорошие оптоэлектронные свойства светопоглощающего слоя на большой площади. В данный момент зарождается новая группа альтернативных подходов к получению гибридных перовскитов, несводимая к наиболее широко используемым подходам - кристаллизации перовскита из раствора или конверсии PbI2 в перовскит в растворе CH3NH3I. Одним из примеров являются открытые недавно реакционные расплавы полииодидов, позволяющие без использования растворителя получать пленки перовскита большой площади в результате ОВР-реакции с исходной пленкой металлического свинца. С использованием данного подхода были получены пленки перовскита толщиной 500 +- 50 нм на площадях до 600 см2 на гибких и твердых носителях и получены первые образцы солнечных элементов с КПД более 12% [New formation strategy of hybrid perovskites via room temperature reactive polyiodide melts (RPM); Alexey Tarasov, et al., 3rd International Conference on Perovskite Solar Cells and Optoelectronics, Оксфорд, Великобритания, 18-20 сентября 2017]. Настоящий проект направлен на решение фундаментальной проблемы - изучение особенностей химических и физических процессов, связанных с формированием гибридных перовскитов в виде тонких пленок и монокристаллов как растворными, так и альтернативными им методами. Получение новых знаний об этих процессах существенно расширит набор инструментов, используемых для управления функциональными свойствами конечного материала, и станет залогом новых принципов создания перспективных материалов на основе гибридных перовскитов и других оптоэлектронных устройств на их основе (светодиодов, детекторов, и т.д.), что позволит сформировать задел отечественных компетенций и технологических решений в данной стратегически значимой для России области.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Петров А.А., Фатеев С.А., Зубавичус Я.В., Дороватовский П.В., Хрусталев В.Н., Зверева И.А., Петров А.В., Гудилин Е.А., Тарасов А.Б. Methylammonium Polyiodides: Remarkable Phase Diversity of the Simplest and Low-Melting Alkylammonium Polyiodide System The Journal of Physical Chemistry Letters, J. Phys. Chem. Lett. 2019, 10, 5776−5780 (год публикации - 2019)
10.1021/acs.jpclett.9b02360

2. Фатеев С.А., Марченко Е.И., Петров А.А., Гудилин Е.А., Тарасов А.Б. New Acidic Precursor and Acetone-Based Solvent for Fast Perovskite Processing via Proton-Exchange Reaction with Methylamine Molecules, 2020, 25, 8, p.1856 (год публикации - 2020)
10.3390/molecules25081856

3. Петров А.А., Тарасов А.Б. Methylammonium polyiodides in perovskite photovoltaics: from fundamentals to applications Frontiers in Chemistry (год публикации - 2020)
10.3389/fchem.2020.00418

4. Алексей Юрьевич Гришко, Андрей Анатольевич Елисеев, Евгений Алексеевич Гудилин, Алексей Борисович Тарасов Measure is Treasure: Proper Iodine Vapor Treatment as a New Method of Morphology Improvement of Lead-Halide Perovskite Films Chemistry of Materials, 2020, 32, 21, pp. 9140–9146 (год публикации - 2020)
10.1021/acs.chemmater.0c02289

5. Андрей Андреевич Петров, Сергей Анатольевич Фатеев, Виктор Николаевич Хрусталев, Yumao Ли, Павел Владимирович Дороватовский, Ян Витаутасович Зубавичус, Евгений Алексеевич Гудилин, Тарасов Алексей Борисович Formamidinium Haloplumbate Intermediates: The Missing Link in a Chain of Hybrid Perovskites Crystallization Chemistry of Materials, 2020, 32, 18, 7739–7745 (год публикации - 2020)
10.1021/acs.chemmater.0c02156

6. Артем А. Ординарцев, Андрей А. Петров, Павел В. Дороватовский, Роман Д. Светогоров, Константин А. Лысенко, Евгений А. Гудилин, Алексей Б. Тарасов Sub- and supersolidus phase relations of formamidinium-cesium polyiodides Mendeleev Communications (год публикации - 2021)

7. Ординарцев А.А., Петров А.А., Лысенко К.А., Петров А.В., Гудилин Е.А., Тарасов А.Б. Crystal structure of new formamidinium triiodide jointly refined by single-crystal XRD, Raman scattering spectroscopy and DFT assessment of hydrogen-bond network features Acta Crystallographica Section E: Structure Reports, 2021, 77, 7, pp. 692-695 (год публикации - 2021)
10.1107/S2056989021005673

8. Фатеев С.А., Шатилова А.С.,Гудилин Е.А.,Тарасов А.Б. New Methylamine-Iodine-Mediated Solvent-Free Approach of Hybrid Perovskite Synthesis via the Redox Conversion of Metallic Lead Films ACS Omega (год публикации - 2021)
10.1021/acsomega.1c02061

9. Олег Сергеевич Воронин, Алексей Юрьевич Гришко, Яша Михайлович Финкельберг, Евгений Алексеевич Гудилин, Алексей Борисович Тарасов Iodine Solution Treatment in Nonpolar Solvents as a Facile Approach to Improve the Morphology and Photostability of Perovskite Films Journal of Physical Chemistry Letters, 2022, 13, 12, 2695-2703 (год публикации - 2022)
10.1021/acs.jpclett.2c00331

Публикации