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

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 19-19-00683

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

Руководитель Ладутенко Константин Сергеевич, Кандидат физико-математических наук

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

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 слова Нанофотоника, гибридные перовскиты, солнечные элементы, светодиоды, лазерная абляция, наночастицы, резонансы Ми, наноантенны, метаповерхности, плазмоны

Код ГРНТИ29.19.22

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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Фурасова А.Д., Ворошилов П.М., Ламанна Е., Можаров А.М., Цыпкин А.Н., Мухин И.С., Бареттин Д., Ладутенко К.С., Захидов А.А., Ди Карло А., Макаров С.В. Engineering the Charge Transport Properties of Resonant Silicon Nanoparticles in Perovskite Solar Cells Energy Technology, 1900877 (год публикации - 2019)
10.1002/ente.201900877

2. Фурасова А.Д., Ламанна Е., Колабро Е., Макаров С.В., Ди Карло А. Perovskite solar cell improvement by gold nanoparticles prepared by laser ablation in liquid Journal of Physics: Conference Series (год публикации - 2019)

3. Сушенцев И.М., Щербаков А.А, Ладутенко К.С., Белов П.А. Superdirective dielectric spherical multilayer antennae 2019 IEEE International Conference on Microwaves, Antennas, Communications and Electronic Systems (COMCAS) (год публикации - 2020)

4. Константин Ладутенко, Вадим Евтихиев, Дмитрий Ревин и Андрей Крыса MOVPE-Grown Quantum Cascade Laser Structures Studied by Kelvin Probe Force Microscopy CRYSTALS, 2020, 10(2), 129 (год публикации - 2020)
10.3390/cryst10020129

5. Juan Carlos Castro-Palacio, Константин Ладутенко, Alejandro Prada, Guillermo González-Rubio, Pablo Díaz-Núñez, Andrés Guerrero-Martínez, Pedro Fernández de Córdoba, Jorge Kohanoff, José Manuel Perlado, Ovidio Peña-Rodríguez*, and Antonio Rivera Hollow Gold Nanoparticles Produced by Femtosecond Laser Irradiation JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY LETTERS, Том: 11 Выпуск: 13 Стр.: 5108-5114 (год публикации - 2020)
10.1021/acs.jpclett.0c01233

6. Александра Фурасова, Павел Ворошилов, Сергей Макаров, Анвар Захидов и Альдо Ди Карло Improvement of methylammonium lead iodide based perovskite solar cells by phosphorus doped silicon nanoparticles AIP Conference Proceedings (год публикации - 2020)

7. Павел Тонкаев, Павел Ворошилов и Сергей Макаров Numerical study of Purcell effect enhancement for CsPbBr3 perovskite cubic particle AIP Conference Proceedings (год публикации - 2020)

8. Михаил А. Машарин, Александр С. Берестенников, Даниэле Бареттин, Павел М. Ворошилов, Константин С. Ладутенко, Альдо Ди Карло, Сергей В. Макаров Giant Enhancement of Radiative Recombination in Perovskite Light-emitting Diodes with Plasmonic Core-shell Nanoparticles Nanomaterials (год публикации - 2020)

9. Фурасова А., Ворошилов П., Баранов М., Тонкаев П., Николаева А., Воронин К., Вессе Л., Макаров С., Ди Карло А. Mie-resonant mesoporous electron transport layer for highly efficient perovskite solar cells Nano Energy, Volume 89, Part B, 106484 (год публикации - 2021)
10.1016/j.nanoen.2021.106484

Публикации