Неорганические солнечные элементы на основе сложных оксидов с перовскитоподобными и родственными структурами

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 20-63-47016

НазваниеНеорганические солнечные элементы на основе сложных оксидов с перовскитоподобными и родственными структурами

Руководитель Абиев Руфат Шовкет оглы, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук , г Санкт-Петербург

Конкурс №47 - Конкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по поручениям (указаниям) Президента Российской Федерации (междисциплинарные проекты)»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-407 - Фундаментальные проблемы химической технологии

Ключевые слова оксиды, фотовольтаики, перовскитоподобные структуры, оксиды со структурой пирохлора и флюорита, микрореакторная технология, лазерное осаждение

Код ГРНТИ31.17.15; 61.13.15; 61.13.21

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Ключевой задачей современной мировой энергетики является переход к ресурсосберегающим технологиям и широкомасштабному внедрению возобновляемых источников энергии. Среди всех доступных возобновляемых энергетических ресурсов наибольшим потенциалом обладает энергия солнечного излучения, которая может быть прямо преобразована в электричество с использованием солнечных элементов (СЭ). Мировое производство доминирующих кремниевых СЭ идет опережающими темпами, а их себестоимость снижается и к настоящему времени составляет ~ 0,5 $/Вт. Однако возможности дальнейшего удешевления кремниевых СЭ практически исчерпаны, и достижение основной цели мировой фотоэнергетики, которая заключается в преодолении сетевого паритета, пока не представляется возможным. Единственным выходом является разработка принципиально новых видов ФП с высокой эффективностью, но более низкой стоимостью. В последние годы в области солнечной фотовольтаики доминирует новое направление, связанное с открытием перовскитных солнечных элементов (ПСЭ) на основе органо-неорганических перовскитных соединений. За короткий период эффективность лабораторных образцов ПСЭ возросла от 3-5 до 20-24%, что поставило их в один ряд с традиционными СЭ на основе кремния и сделало наиболее перспективными кандидатами для решения проблем мировой фотоэнергетики. К сожалению, вскоре стало очевидно, что ключевая составляющая ПСЭ – слой фотоактивного абсорбера на основе [PbX3] (X=Cl, Br, I) – оказалась структурно нестабильной и в условиях естественной влажности, светового облучения и при изменении температуры быстро и заметно деградирует. В результате, основной фотовольтаический параметр ПСЭ – стабилизированная эффективность (stabilized efficiency) остается неконкурентоспособным по отношению к обладающим “многолетней” стабильностью кремниевым СЭ. В литературе представлены многочисленные попытки различными методами улучшить стабильность ПСЭ. Так, в наших работах было показано, что эффективная пассивация дефектов на границе раздела перовскит/фотоэлектрод, путем внедрения промежуточного буферного слоя на основе CdS, позволяет минимизировать рекомбинационные потери и значительно стабилизировать эффективность ПСЭ (Никольская А.Б. et al. «Физико-химические методы оптимизации параметров перовскитных солнечных элементов». Известия Академии Наук. Серия Химическая. 2020 г. в печати). Кроме этого, в ряде совместных работ представляющих настоящий проект Московской и С.-Петербургской групп исследователей была показана возможность некоторого улучшения стабильности ПСЭ за счет использования нового типа фотоэлектродов на основе оксидных соединений с очень большой (~ 6 эВ) запрещенной зоной (Вильданова М.Ф., Никольская А.Б., Козлов С.С., Карягина О.К., Ларина Л.Л., Шевалеевский О.И., Альмяшева О.В., Гусаров В.В., «Наноструктуры на основе системы ZrO2-Y2O3 для перовскитных солнечных элементов», Доклады АН, 2019, 484 (6), 712-715). Многообещающие результаты были получены в ряде работ, где в качестве фотоактивного слоя были использованы неорганические перовскитные материалы на основе галогенидов вида CsPbX3 (X=Cl, Br, I). В то же время, для достижения действительно долговременной стабильности работы ПСЭ, сравнимой с той, которой обладают традиционные СЭ на основе кремния, предложенные соединения на основе галогенидов могут оказаться непригодны. Последнее обусловлено большой диффузионной способностью атомов галогенов и их высокой ионной подвижность, которая легко инициируется температурными и фотоэффектами и приводит к структурным измерениям в кристаллической решетке галогенных соединений. Таким образом, на сегодняшний день в области мировых работ по ПСЭ наблюдаются все признаки кризисной ситуации. В нашем проекте предлагается проведение поиска и создание фоточувствительных перовскитных материалов на основе твердотельных систем для ПСЭ, априори обладающих высокой и долговременной стабильностью в условиях изменения температуры, отсутствием фотодеструкции и невосприимчивых к атмосферной влажности. Такими кандидатами, в частности, являются сложные оксиды со структурой двойного перовскита. Указанные соединения обладают близкой к солнечному спектру областью оптического поглощения и высокой фотопроводимостью. Ширина оптической запрещенной зоны составляет Eg ~ 2-2.5 эВ и за счет допирования может варьироваться в широких пределах (до 1–1.5 эВ). Попытки использования подобных соединений для конструирования ПСЭ показали относительно низкую эффективность фотопреобразования, однако комплексных работ фундаментального и инженерного характера в данном направлении пока не предпринималось. В предлагаемом междисциплинарном проекте будет проведен широкий комплекс работ по созданию нового класса высокостабильных эффективных ПСЭ на основе твердотельных соединений в виде сложных оксидов со структурой двойного перовскита и родственных соединений. Работа группы, относящейся к направлению инженерных наук, будет направлена на проведение фундаментальных научных исследований в области фотовольтаики, созданию технологии получения новых видов высокоэффективных ПСЭ на основе сложных оксидов со структурой двойного перовскита и исследованию параметров их работы в различных условиях. Успешная реализация проекта строится на выполнении междисциплинарных работ, проводимых совместно с двумя другими группами исследователей. Исследовательская группа, относящаяся к направлению химии и наук о материалах, будет ориентирована на исследования в области фундаментальных проблем химической технологии и химии новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов. Основная часть работ группы будет связана с синтезом, изучением условий и механизмов формирования, определением строения и физико-химических свойств материалов на основе сложных оксидов с перовскитоподобной структурой и родственных соединений. Третья группа исследователей, относящаяся к направлению физических наук (по классификатору РНФ – физика и науки о космосе), которая обладает большим опытом работы с полупроводниковыми материалами, будет проводить исследования физических свойств полученных в процессе синтеза соединений сложных оксидов, включая измерения оптических и фотоэлектрических характеристик в условиях изменения температуры и освещения. Таким образом, между тремя группами исследователей будет осуществляться обратная связь по линии синтеза и исследования материалов и получения результатов экспериментальных исследований. Проведение параллельных работ междисциплинарного характера с общей конечной целью, когда каждая из исследовательских групп будет снабжать друг друга взаимодополняющими данным исследований и соответствующими материалами, будет иметь высокую эффективность в плане достижения конечных результатов. Мы ожидаем, что в результате успешной реализации проекта, в области солнечной фотоэнергетики может сформироваться новое научное направление, которое откроет возможность создания новых видов эффективных и рентабельных для производства солнечных элементов на основе высокостабильных сложных оксидных фаз с перовскитоподобной и родственными структурами.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Абиев Р.Ш. МИКРОСМЕСИТЕЛИ И МИКРОРЕАКТОРЫ СО СТАЛКИВАЮЩИМИСЯ СТРУЯМИ: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ В ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ НАНОМАТЕРИАЛОВ (ОБЗОР) ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, том 54, № 6, с. 668–686 (год публикации - 2020)
10.31857/S0040357120060019

2. Шуклина А.И., Смирнов А.В., Федоров Б.А., Кириллова С.А., Альмяшева О.В. Structure of nanoparticles in the ZrO2 – Y2O3 system, as obtained under hydrothermal conditions Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics, V.11 (6). P. 729–738. (год публикации - 2020)
10.17586/2220-8054-2020-11-6-729-738

Публикации

1. М.С. Ломакин, О.В. Проскурина, А.А. Сергеев, И.В. Бурьяненко, В.Г. Семёнов, С.С. Вознесенский, В.В. Гусаров Crystal structure and optical properties of the Bi-Fe-W-O pyrochlore phase synthesized via a hydrothermal method Journal of Alloys and Compounds, v. 889, 2021, paper number 161598 (год публикации - 2021)
10.1016/j.jallcom.2021.161598

2. Шуклина А.И., Альмяшева О.В. Формирование в гидротермальных условиях и строение нанокомпозитов в системе ZrO2-Y2O3-Al2O3 Журнал неорганической химии, Т.67 (6). С. 843-851. (год публикации - 2022)
10.31857/S0044457X22060216

3. Соколова А.Н., Проскурина О.В., Данилович Д.П., Гусаров В.В. Photocatalytic properties of composites based on Y1-xBixFeO3 (0 ≤ x ≤ 0.15) nanocrystalline solid solutions with a hexagonal structure Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics, 13(1). P. 87-95. (год публикации - 2022)
10.17586/2220-8054-2022-13-1-87-95

4. Р.Ш. Абиев, О.В. Альмяшева, В.И. Попков, О.В. Проскурина Microreactor Synthesis of Nanosized Particles: The Role of Micromixing, Aggregation, and Separation Processes in Heterogeneous Nucleation Chemical Engineering Research and Design, V.178. P.73-94. (год публикации - 2021)
10.1016/j.cherd.2021.12.003

5. Р.Ш.Абиев, И.В. Макушева Влияние макро- и микросмешения на процессы растворного синтеза частиц оксидных материалов в микроаппаратах с интенсивно закрученными потоками Теоретические основы химической технологии, Т.52 (2). С. 137-147. (год публикации - 2022)
10.31857/S0040357122020014

6. Ломакин М.С., Проскурина О.В., Левин А.А., Сергеев А.А., Леонов А.А., Неведомский В.Н., Вознесенский С.С. Формирование в условиях гидротермально-микроволнового синтеза и оптические свойства фазы пирохлора в системе Bi2O3‒Fe2O3‒WO3‒(H2O) Журнал неорганической химии, Т. 67 (6). С. 750-760. (год публикации - 2022)
10.31857/S0044457X22060149

Публикации

1. Р.Ш. Абиев, И.В. Макушева Energy Dissipation Rate and Micromixing in a Two‑Step Micro‑Reactor with Intensively Swirled Flows Micromachines, Micromachines, 2022, 13, 1859. (год публикации - 2022)
10.3390/mi13111859

2. Р.Ш. Абиев Taylor vortex center, film thickness, velocity and frequency of circulations in slugs and plugs for non-Newtonian and Newtonian fluids in two-phase Taylor flow in microchannels Chemical Engineering Science, Chemical Engineering Science, 250 (2022) 117380 (год публикации - 2022)
10.1016/j.ces.2021.117380

3. Р.Ш. Абиев, И.В. Макушева Effect of Macro- and Micromixing on Processes Involved in Solution Synthesis of Oxide Particles in Mocroreactors with Intensively Swirling Flows Theoretical Foundations of Chemical Engineering, Theoretical Foundations of Chemical Engineering, 2022, Vol. 56, No. 2, pp. 141–151. (год публикации - 2022)
10.1134/S0040579522020014

4. Проскурина О.В., Абиев Р.Ш., Гусаров В.В. Influence of using different types of microreactors on the formation of nanocrystalline BiFeO3 Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics, V.14(1). P. 120-126. (год публикации - 2023)
10.17586/2220-8054-2023-14-1-120-126

5. Averkiev D.D., Larina L.L. , Shevaleevskiy O.I., Almjasheva O.V. Formation under conditions of solution combustion of nanocrystalline particles based on phases of variable composition La2(Ni,Mn,Fe)2O6 with a structure of double perovskite Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics, V.13(6). P. 655-661. (год публикации - 2022)
10.17586/2220-8054-2022-13-6-655-661

6. Ломакин М.С., Проскурина О.В., Гусаров В.В. Pyrochlore phase in the Bi2O3‒Fe2O3‒WO3‒(H2O) system: its formation by hydrothermal synthesis in the low-temperature region of the phase diagram Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics, V.14 (2). P. 242-253. (год публикации - 2023)
10.17586/2220-8054-2023-14-2-242-253

Публикации

1. Абиев Р.Ш. Chemical and Biochemical Reactors for Controlled Synthesis of Organic and Inorganic Compounds Russian Journal of Applied Chemistry (Журнал прикладной химии), № 11–12, Т. 95.с. 1339-1364 (год публикации - 2023)
10.31857/S0044461822110019

2. Р.Ш. Абиев, Д.А. Потехин Исследование качества микросмешения в одноступенчатом микрореакторе с интенсивно закрученными потоками ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, № 6, т. 57, с. 681–696 (год публикации - 2023)
10.31857/S0040357123060015

3. Проскурина О.В., Бабич К.И., Тиханова С.М., Мартинсон К.Д., Неведомский В.Н., Семенов В.Г., Абиев Р.Ш., Гусаров В.В. Magnetic and photocatalytic properties of BiFeO3 nanoparticles formed during the heat treatment of hydroxides coprecipitated in a microreactor with intense swirling flows Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics (год публикации - 2024)

4. Р.Ш. Абиев, А.К. Кудряшова Исследование микросмешения в микрореакторе с встречными интенсивно закрученными потоками Теоретические основы химической технологии (год публикации - 2024)

5. Ломакин М.С., Проскурина О.В., Левин А.А., Неведомский В.Н., Гусаров В.В. Pyrochlore phase in the Bi2O3‒Fe2O3‒WO3‒(H2O) system: its stability field in the low-temperature region of the phase diagram and thermal stability Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics (год публикации - 2024)

6. Ломакин М.С., Проскурина О.В., Левин А.А., Неведомский В.Н. Pyrochlore phase in the Bi2O3–Fe2O3–WO3–(H2O) system: its stability field in the lowtemperature region of the phase diagram and thermal stability Nanosystems: Phys. Chem. Math., 2024, 15 (2), 240–254 (год публикации - 2024)
10.17586/2220-8054-2024-15-2-240-254

7. Д. П. Еловиков, И. В. Макушева, С. М. Тиханова, М. В. Томкович, О. В. Проскурина, Р. Ш. Абиев, В. В. Гусаров ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ МИКРОРЕАКТОРНОГО СМЕШЕНИЯ РАСТВОРОВ РЕАГЕНТОВ НА ФОРМИРОВАНИЕ И ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА BiVO4 Теоретические основы химической технологии (год публикации - 2024)