Стабильность перовскитных солнечных элементов при облучении мощными потоками ускоренных частиц

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 22-61-00047

НазваниеСтабильность перовскитных солнечных элементов при облучении мощными потоками ускоренных частиц

Руководитель Жидков Иван Сергеевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" , Свердловская обл

Конкурс №75 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по поручениям (указаниям) Президента Российской Федерации» (междисциплинарные проекты)

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-210 - Взаимодействие рентгеновского, синхротронного излучений и нейтронов с конденсированным веществом

Ключевые слова солнечные ячейки, гибридные перовскиты, стабильность, электронные пучки, протоны

Код ГРНТИ29.19.24

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Солнечные батареи широко применяются в качестве источника энергии для орбитальных космических аппаратов. При этом огромное значение играет вес солнечных панелей, который влияет на полезную нагрузку ракетоносителей и на стоимость выведения космических аппаратов на орбиту. Таким образом на передний план, помимо КПД солнечных ячеек, также выходит такой параметр как удельная мощность (производимая энергия на единицу массы). В этой связи перовскитные солнечные панели (PSC) являются крайне перспективной технологией для применения в космическом пространстве. Так, известно, что специально разработанные для космических аппаратов солнечные ячейки имеют имеют удельную мощность <1 Вт/г, а ячейки на основе арсенида галлия <3 Вт/г. Недавно было продемонстрировано, что PSC достигают удельной мощности до 29,4 Вт/г [1]. Помимо снижения затрат, это создает возможности для проектирования новых космических миссий, таких как полеты в дальний космос на солнечной энергии и эффективные электрические двигатели. С другой стороны при использовании ячеек в космическом пространстве на первый план выходит вопрос стабильности фотоэлектрических панелей, поскольку он определяет срок службы космических аппаратов на орбите. Солнечные панели должны выдерживать запуск и после этого подвергаться экстремальным условиям окружающей среды, таким солнечное излучение AM0, космическое излучение, сверхвысокий вакуум и огромные перепады температур [2]. На начало 2022 года эффективность преобразования солнечной энергии PSC превысила 25.5%, что близко к рекордным показателям для кристаллического кремния (~26.6%). Предыдущие лабораторные испытания исследовали воздействие различных условий окружающей среды с весьма многообещающими результатами с точки зрения стабильности материала. Действительно, отсутствие кислорода снижает химическую деградацию перовскитных солнечных элементов при сильном воздействии УФ. Деградация перовскитных солнечных элементов, рассматриваемая как основная проблема стабильности, практически отсутствует в космосе. С другой стороны, вакуумные условия могут увеличивать выделение газов и способствовать индуцированному светом образованию дефектов и миграции ионов в перовскитных солнечных элементах. Экстремальные температуры ± 80 °C вызывают обратимое падение эффективности перовскитных солнечных элементов. Однако как при слабом освещении, так и при низких температурах, а также во внешней части солнечной системы элементы эффективно генерируют энергию. При этом важнейшим фактором в условиях космоса может оказаться воздействие излучения космических частиц. С одной стороны перовскитные солнечные ячейки демонстрируют превосходную радиационную стойкость по сравнению с кремниевыми или космическими солнечными элементами с тройным соединением, а также демонстрируют эффекты восстановления и самовосстановления после воздействия, что делает их особенно интересными для применения на орбитах с сильным облучением [3]. Кроме того, есть значительный потенциал для дальнейшего повышения радиационной стабильности перовскитных солнечных батарей за счет направленного дизайна новых материалов и архитектуры фотовольтаических устройств. Данный проект направлен на исследование радиационно-стимулированных процессов в перовскитных солнечных ячейках и подбор наиболее стабильных составов и архитектуры солнечных батарей для работы в условиях космоса. В рамках данного проекта будут продолжены исследования, итогом которых должна стать не только разработка перовскитных солнечных батарей с высокой эффективностью (>20%), но и в первую очередь должны быть созданы батареи, обладающие рекордной радиационной стабильностью по отношению к пучкам заряженных частиц. Таким образом, реализация проекта позволит создать научно-технологические основы для внедрения перовскитной фотовольтаики в космической отрасли промышленности РФ. [1] Kang, S. et al. J. Mater. Chem. A 7, 1107–1114 [2] Thirsk, R. et al. CMAJ 180, 1216–1220 [3] F. Lang et al. Adv. Mater., 28 (2016), pp. 8726-8731

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Жидков И.С., Курмаев Э.З. Use of x-ray photoelectron spectroscopy for characterization of advanced materials Chinese-Russian Conference on Precision Metrology: Fundamentals and Applications, Chinese-Russian Conference on Precision Metrology: Fundamentals and Applications, Nov. 25 - 27, 2022·Shanghai. China, P. 52 (год публикации - 2022)

2. Озерова В.В., Устинова М.И., Емельянов Н.А., Кирюхин Д.П., Жидков И.С., Трошин П.А., Фролова Л.А. Exploring Radiation Hardness of Complex Lead Halides under Exposure to Ultrahigh Does of Gamma Rays up to 20 MGy 7th International Conference on Advanced Electromaterials, 7th International Conference on Advanced Electromaterials (ICAE 2021), 30 October - 3 November 2023. Korea, Jeju, 2023. – P. 4-0379. (год публикации - 2023)

3. Расметьева А.В., Устинова М.И., Кухаренко А.И., Сарычев М.Н., Трошин П.А., Жидков И.С. The Effect of Partial Lead Substitution on the Stability of Hybrid Perovskites under Powerful Electron Fluxes ASAM-8. THE 8TH ASIAN SYMPOSIUM ON ADVANCED MATERIALS, The 8th Asian Symposium on Advanced Materials. Book of Abstracts. July 3-7, Novosibirsk, Russia, 2023. Novosibirsk : Boreskov institute of Catalysis SB RAS. 2023. – P. 397-398. (год публикации - 2023)

4. Жидков И.С., Расметьева А.В., Озерова В.В., Сарычев М.Н., Трошин П.А., Курмаев Э.З. The Effect of A-Cation Substitution on the Stability of Hybrid Perovskites under Powerful Electron Fluxes ASAM-8. THE 8TH ASIAN SYMPOSIUM ON ADVANCED MATERIALS, The 8th Asian Symposium on Advanced Materials. Book of Abstracts. July 3-7, Novosibirsk, Russia, 2023. Novosibirsk : Boreskov institute of Catalysis SB RAS. 2023. – P. 397-398. (год публикации - 2023)

5. Расметьева А.В., Устинова М.И., Кухаренко А.И., Сарычев М.Н., Трошин П.А., Жидков И.С ВЛИЯНИЕ ЧАСТИЧНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ СВИНЦА НА СТАБИЛЬНОСТЬ ГИБРИДНЫХ ПЕРОВСКИТОВ К МОЩНЫМ ПОТОКАМ ЭЛЕКТРОНОВ Физика. Технологии. Инновации. ФТИ – 2023: тезисы докладов X Международной молодежной научной конференции, Физика. Технологии. Инновации. ФТИ – 2023: тезисы докладов X Международной молодежной научной конференции, Екатеринбург, 15-19 мая 2023 г. Екатеринбург: УрФУ, 2023. – С. 692-693 (год публикации - 2023)

6. Расметьева А.В., Воробьев С.Т., Озерова В.В., Кухаренко А.И., Сарычев М.Н., Трошин П.А., Жидков И.С. ВЛИЯНИЕ ЗАМЕЩЕНИЯ А-КАТИОНА НА СТАБИЛЬНОСТЬ ГИБРИДНЫХ ПЕРОВСКИТОВ К МОЩНЫМ ПОТОКАМ ЭЛЕКТРОНОВ Физика. Технологии. Инновации. ФТИ – 2023: тезисы докладов X Международной молодежной научной конференции, Физика. Технологии. Инновации. ФТИ – 2023: тезисы докладов X Международной молодежной научной конференции, Екатеринбург, 15-19 мая 2023 г. Екатеринбург: УрФУ, 2023. – С. 721-722 (год публикации - 2023)

7. Жидков И.С., Акбулатов А.Ф., Кухаренко А.И., Расметьева А.В., Фролова Л.А., Трошин П.А., Курмаев Э.З. Mechanism of thermal and photochemi cal degradation of ABX3 and A3B2X9 perovskites: XPS studies 4th International School on Hybrid, Organic and Perovskite Photovoltaic, 4th International School on Hybrid, Organic and Perovskite Photovoltaic. Book of Abstracts. July 10-15, Moscow, Russia, 2023. Moscow: FRC PCP MC RAS. 2023. – P. 6. (год публикации - 2023)

8. Озерова В.В., Емельянов Н.А., Устинова М.И., Гуцев Л.Г., Жидков И.С., Фролова Л.А., Трошин П.А. Radiation induced aging pathways in lead halide perovskites 4th International School on Hybrid, Organic and Perovskite Photovoltaic, 4th International School on Hybrid, Organic and Perovskite Photovoltaic. Book of Abstracts. July 10-15, Moscow, Russia, 2023. Moscow: FRC PCP MC RAS. 2023. – P. 8. (год публикации - 2023)

9. Жидков И.С., Расметьева А.В., Озерова В.В., Сарычев М.Н., Трошин П.А, Курмаев Э.З. The Effect of A-Cation Substitution on the Stability of Hybrid Perovskites under Powerful Electron Fluxes EcoMat Conference 2023, EcoMat Conference 2023. June 20-24, Hong Kong, China, 2023. – P. F-01. (год публикации - 2023)

10. Расметьева А.В., Зырянов С.С., Новоселов И.Е., Кухаренко А.И., Макаров Е.В., Чолах С.О., Курмаев Э.З., Жидков И.С. Proton irradiation on halide perovskites: numerical calculations Nanomaterials, nanomaterials-2762625 (год публикации - 2024)

11. Устинова М.И., Фролова Л.А., Расметьева А.В., Емельянов Н.А., Сарычев М.Н., Кущ П.П., Дремова Н.Н., Кичигина Г.А., Кухаренко А.И., Кирюхин Д.П., Курмаев Э.З., Жидков И.С., Трошин П.А. Enhanced radiation hardness of lead halide perovskite absorber materials via incorporation of Dy2+ cations Nano Energy, Chemical Engineering Journal 493 (2024) 152522 (год публикации - 2024)

12. Устинова М.И., Сарычев М.Н., Кущ П.П., Дремова Н.Н., Кичигина Г.А., Кирюхин Д.П., Расметьева А.В., Кухаренко А.И., Трошин П.А., Курмаев Э.З., Фролова Л.А., Жидков И.С. Towards better perovskite absorber materials: Cu+ doping improves photostability and radiation hardness of complex lead halides ACS Applied Materials & Interfaces, am-2023-18156x (год публикации - 2024)

13. Устинова М.И., Фролова Л.А., Расметьева А.В., Емельянов Н.А., Сарычев М.Н., Шилов Г.А., Кущ П.П., Дремова Н.Н., Кичигина Г.А., Кухаренко А.И., Кирюхин Д.П., Курмаев Э.З., Жидков И.С., Трошин П.А. Europium shuttle for launching perovskites to space: using Eu2+/Eu3+ redox chemistry to boost photostability and radiation hardness of complex lead halides Journal of Materials Chemistry A, J. Mater. Chem. A, 2024, 12, 13219 (год публикации - 2024)

14. Устинова М.И., Расметьева А.В., Кухаренко А.И., Лобанов М.В., Кущ П.П., Корчагин Д.В., Кичигина Г.А., Сарычев М.Н., Кирюхин Д.П., Курмаев Э.З., Трошин П.А., Фролова Л.А., Жидков И.С. Exploring the effects of the alkaline earth metal cations on the electronic structure, photostability and radiation hardness of lead halide perovskites Materials Today Energy, Materials Today Energy 45 (2024) 101687 (год публикации - 2024)

15. Устинова М.И., Сарычев М.Н., Емельянов Н.А., Ли Й., Жуо Й., Женг Т., Бабенко С.Д., Тарасов Е.Д., Кущ П.П., Дремова Н.Н., Кичигина Г.А., Расметьева А.В., Кухаренко А.И., Кирюхин Д.П., Курмаев Э.З., Сю С., Трошин П.А., Фролова Л.А., Жидков И.С. Towards better perovskite absorber materials: Cu+ doping improves photostability and radiation hardness of complex lead halides EcoMat, EcoMat, 2025; 7:e12512 (год публикации - 2025)
10.1002/eom2.12512

16. Новоселов И.Э., Гвоздев А.М., Смирнов А.А., Жидков И.С. Dataset of SCAPS-1D Simulated Halide Perovskite Solar Cells with SHAP and Machine Learning-Based PCE Optimization Data in Brief, Vol. 60, 111653 (год публикации - 2025)
10.1016/j.dib.2025.111653

17. Кухаренко А.И., Устинова М.И., Чолах С.О., Трошин П.А., Жидков И.С Influence of partial substitution of Pb by Ge atoms on the stability of CsFAPbI3 hybrid perovskites to strong electron fluxes International Research Journal, № 5S(143), P. 116 (год публикации - 2024)
10.60797/IRJ.2024.143.116

18. Новоселов И.Э., Смирнов А.А., Жидков И.С. The study of the perovskite solar cell parameter influence on their efficiency by using machine learning Международный научно-исследовательский журнал, Novoselov I.E. THE STUDY OF THE PEROVSKITE SOLAR CELL PARAMETER INFLUENCE ON THEIR EFFICIENCY BY USING MACHINE LEARNING / I.E. Novoselov, A.A. Smirnov, I.S. Zhidkov // Mezhdunarodny'j nauchno-issledovatel'skij zhurnal [International Research Journal]. — 2024. — №5 (143) S. — URL: https://research-journal.org/archive/5-143-2024-may/10.60797/IRJ.2024.143.121 (accessed: 02.12.2024). — DOI: 10.60797/IRJ.2024.143.121 (год публикации - 2024)
10.60797/IRJ.2024.143.121

19. Катков Е.В., Озерова В.В., Емельянов Н.А., Кухаренко А.И., Фролова Л.А., Трошин П.А., Жидков И.С. Влияние иодида бутиламмония на радиационную устойчивость гибридных галоидных перовскитов Наноидустрия (год публикации - 2026)

20. Новоселов И.Э., Жидков И.С. Монте-Карло моделирование транспорта высокоэнергетических частиц в гибридных перовскитах, допированных европием Международный научно-исследовательский журнал, № 12 (162), 2025, https://doi.org/10.60797/IRJ.2025.162.76.4 (год публикации - 2025)
10.60797/IRJ.2025.162.76.4

21. Петровский Д.А., Новоселов И.Э., Жидков И.С. Study of radiation processes in hybrid halide perovskites under electron irradiation International Research Journal, № 10 (160) S, P. 22 (год публикации - 2025)
10.60797/IRJ.2025.160s.22

22. Жидков И.С., Устинова М.И., Герасимов М.Ф., Кухаренко А.И., Сарычев М.Н., Лобанов М.В., Никифоров С.В., Чолах С.О., Фролова Л.А., Курмаев Э.З., Трошин П.А. Engineering lead halide perovskite photochemical stability and radiation hardness via Sn4+ doping ACS Applied Energy Materials (год публикации - 2025)

23. ЖИДКОВ И.С., ОЗЕРОВА В.В., КУХАРЕНКО А.И., ТРОШИН П.А., КУРМАЕВ Э.З РАДИАЦИОННАЯ СТАБИЛЬНОСТЬ ГИБРИДНЫХ ПЕРОВСКИТОВ: ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОМ РФЭС МАТЕРИАЛЫ XX МЕЖДУНАРОДНОЙ МОЛОДЕЖНОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ПО ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ И ЛАЗЕРНОЙ ФИЗИКЕ, ПОСВЯЩЕННОЙ 30-ЛЕТИЮ СО ДНЯ ОБРАЗОВАНИЯ ИРКУТСКОГО ФИЛИАЛА ИНСТИТУТА ЛАЗЕРНОЙ ФИЗИКИ СО РАН, Материалы XX Международной молодежной конференции по люминесценции и лазерной физике, посвященной 30-летию со дня образования Иркутского филиала Института лазерной физики СО РАН : Материалы конференции, Иркутск, 30 июня – 05 2025 года. – Иркутск: Иркутский государственный университет, 2025. – С. 59-60. (год публикации - 2025)

24. ГЕРАСИМОВ М.Ф., УСТИНОВА М.И., НИКИФОРОВ С.В., КУРМАЕВ Э.З., ФРОЛОВА Л.А., ТРОШИН П.А., ЖИДКОВ И.С. СВЯЗЬ РАДИАЦИОННО-ИНДУЦИРОВАННОГО РАЗУПОРЯДОЧЕНИЯ И ТИПА ЛЕГИРУЮЩЕЙ ПРИМЕСИ В ГИБРИДНЫХ ГАЛИДНЫХ ПЕРОВСКИТАХ XX МЕЖДУНАРОДНАЯ МОЛОДЕЖНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ПО ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ И ЛАЗЕРНОЙ ФИЗИКЕ, ПОСВЯЩЕННАЯ 30-ЛЕТИЮ СО ДНЯ ОБРАЗОВАНИЯ ИРКУТСКОГО ФИЛИАЛА ИНСТИТУТА ЛАЗЕРНОЙ ФИЗИКИ СО РАН Иркутск, 30 июня – 05 июля 2025 года, Материалы XX Международной молодежной конференции по люминесценции и лазерной физике, посвященной 30-летию со дня образования Иркутского филиала Института лазерной физики СО РАН : Материалы конференции, Иркутск, 30 июня – 05 2025 года. – Иркутск: Иркутский государственный университет, 2025. – С. 41. (год публикации - 2025)

25. Жидков И.С., Устинова М.И., Герасимов М.Ф., Кухаренко А.И., Сарычев М.Н., Никифоров С.В., Чолах С.О., Фролова Л.А., Курмаев Э.З., Трошин П.А. Hole doping and radiation stability in partial Ge substituted lead halide perovskites Journal of Alloys and Compounds, https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.185762 (год публикации - 2025)
10.1016/j.jallcom.2025.185762

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. Исследование влияния облучения высокоэнергетическими потоками электронов на перовскитные солнечные ячейки Разработаны перовскитные материалы с 27 молекулярными модификаторами с целью повышения стабильности перовскитных материалов в условиях воздействия потоков электронов. Проведено исследование модифицированных материалов в условиях после воздействия потоков электронов с применением набора экспериментальных установок, включающий в себя как структурные (XRD, микроскопия), так и спектральные методы (люминесценция, XPS, UV-vis). Установлены 6 наиболее перспективных добавок, включение которых в состав перовскитного материала позволяет последнему выдерживать флюенсы вплоть до 6*10^16 электрон/см2. Впервые проведено исследование порошков и поликристаллических образцов MAPbI3, FAPbI3, Cs0.12FA0.88PbI3, Ca0.1MA0.15FA0.85PbI3 в условиях воздействия потоков электронов с применением спектральных (ЯМР), структурных (XRD) методов. Показано, что кристаллические перовскиты устойчивы вплоть до флюенса облучения 3*10^16 электрон/см2. Однако как в случае плёнок, так и в случае кристаллов происходит радиационно-индуцированное изменение органического катиона, проявляющееся в разрыве С=N и образовании новых C-N, N-H связей. 2. Исследование влияния облучения высокоэнергетическими потоками протонов на PSC Проведено исследование влияния воздействия облучения протонами на перовскитные материалы MAPbI3, FAPbI3, (CsFA)PbI3, (CsMAFA)PbI3, Для исследования облученных материалов использован набор экспериментальных установок, включающий в себя как структурные (микроскопия), так и спектральные методы (люминесценция, UV-vis). Для всех перовскитов вплоть до очень высоких флюенсов протонов не происходит снижения интенсивности ФЛ, что свидетельствует о высокой стабильности гибридных перовскитов по отношению к протонному облучению. Облучение протонами вызывает сегрегацию MA катиона по границам зёрен референсной пленки MAPbI3. Кроме того, увеличение флюенса приводит к изменению рельефа поверхности и размера зёрен, что свидетельствует о радиационно-индуцированной рекристаллизации. Облучение перовскита FAPbI3 протонами первоначально вызывает перераспределение FA катиона с образованием обедненных областей, форма и размер которых согласуется с размерами зёрен. Дальнейшее облучение приводит к рекристаллизации плёнки и исчезновению FA катиона. Для трёхкатионного перовскита на малых флюенсах облучения происходит сегрегация MA катиона по границам зерен и образование областей, насыщенных FA и Cs катионами. Последующее облучение приводит к плавлению зёрен и их рекристаллизации. Все гибридные перовскиты демонстрирую хорошую стабильность по отношению к быстрым протонам, сохраняя свои оптические свойства вплоть до высоких флюенсов облучения. Вместе с тем увеличение дозы протонов может вызывать фазовую сегрегацию и радиационно-индуцированную рекристаллизацию перовскитных зёрен. 3. Радиационно-стимулированные процессы в материалах, моделирование процессов торможения, потерь энергии и дефектообразования. Длина трека в перовскитном слое превышает 10 см для энергии электронов 10 МэВ, что говорит о том, что электроны могут проходить образец насквозь, однако претерпевают при этом ряд столкновений, который изменяет их траекторию, увеличивая преодолеваемое расстояние. При этом значительная часть электронов теряет свою энергию полностью и не покидают пределы образца (толщиной 1 см). Неионизационные потери не превышают 1 кэВ. Наибольшее энерговыделение происходит на глубине 2-5 см. А энергия образующихся вторичных частиц не превышает нескольких сотен кэВ как для нейтральных (преимущественно гамма-кванты), так и для заряженных частиц. Схожая картина наблюдается и для протонов с энергией 18 МэВ. Они полностью теряют свою энергию в перовскитном слое (1 см), а глубина их пробега не превышает 2 см с максимумом энерговыделения в области 1,65 см. Все нейтроны (5 МэВ) полностью покидают образец (1см) практически не испытывая столкновений, выделяемая энергия равномерно распределена по глубине и не превышает 200 кэВ на одну частицу. Могут образовываться высокоэнергетические гамма-кванты (до 2 МэВ), однако их число невелико. Энергия же вторичных заряженных частиц оказывает меньше 10 кэВ, что явно недостаточно для создания радиационных повреждений. 4. Машинное обучения для выявления наиболее стойких перовскитов и структур Для создания датасета использовался программный пакет SCAPS, основанный на методе Монте-Карло. В качестве вариативных переменных использовался состав перовскита, толщина перовскитного слоя, тип зарядово-транспортных слоёв. В качестве целевой переменной принималась эффективность преобразования солнечного света. Для обработки и предсказания адаптирован ансамблевый метод CatBoostRegressor. Для интерпретации результатов машинного обучения использовалась библиотека SHapley Additive exPlanations. Установлено, что наиболее эффективные солнечные панели получаются при комбинации Cs и FA в качестве А-катиона, а в качестве аниона - I. Отдельное внимание следует уделять интерфейсу зарядово-транспортный слой / перовскит, расположенному со стороны облучения. Для создания датасета для оценки стабильности гибридных перовскитов по отношению к облучению определены следующие параметры: состав перовскита, тип и энергия налетающих частиц. В качестве целевых переменных выбраны общая затрачиваемая энергия и неионизационные потери. 5. Модернизация канала Разработан измеритель профиля заряженных частиц для создания однородного пучка большого диаметра. Измеритель профиля заряженных частиц предназначен для регистрации и последующей корректировки положения выходного пучка заряженных частиц. Разработанное устройство соответствует следующим требованиям: • модульная разборная конструкция для возможности быстрой замены функциональных частей; • возможность работать с токами до 5 мкА; • возможность проводить высокоскоростные измерения длительностью доли секунды или менее; • наличие позиционно-чувствительной матрицы общей площадью 1 см2, позволяющей формировать токовый сигнал, величина которого пропорциональна интенсивности излучения, падающего на ее ячейку; • возможность получения по запросу с ПК графической информации об интенсивности излучения, падающего на каждую из ячеек матрицы, а также форме пучка.

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В 2025 г были успешно проведены комплексные исследования, направленные на разработку и углубленное понимание радиационной стойкости гибридных органо-неорганических перовскитных материалов для перспективного применения в космической энергетике. Фактически выполненный объем работ охватывал весь цикл от направленного синтеза новых материалов до их облучения различными типами ионизирующего излучения, детальной характеризации, теоретического моделирования процессов взаимодействия излучения с веществом и последующего анализа обширного экспериментального массива данных методами статистики и машинного обучения для выявления ключевых закономерностей. Основное внимание уделялось двум стратегиям модификации: введению в состав перовскита органических молекулярных спайсеров (на примере 27 различных соединений) для формирования структур смешанной размерности и частичному изовалентному замещению катиона свинца в В-позиции на другие металлы (31 элемент, включая щелочноземельные, переходные и редкоземельные ионы). 1. Установлен немонотонный характер радиационного дефектообразования в 3D-перовскитах под действием электронов. Обнаружено, что с ростом флюенса энергия Урбаха, характеризующая степень беспорядка, и ширина оптической щели изменяются нелинейно. После начального накопления дефектов наблюдается резкое улучшение структурного порядка («радиационно-индуцированное залечивание»), сменяющееся при дальнейшем облучении новой фазой деградации. Показано, что FAPbI3 обладает максимальной радиационной стойкостью, способностью к самовосстановлению и является наиболее перспективной основой для материалов космического назначения. 2. Разработана классификация органических молекулярных спайсеров по их влиянию на радиационный отклик. На основе анализа кинетики изменения энергия Урбаха и ширины оптической щели все 27 исследованных модификаторов разделены на 4 группы: стабилизирующие решётку, не меняющие механизм отклика, вызывающие только «залечивание», провоцирующие непрерывную деградацию. Выявлено, что стабилизирующий эффект часто связан с наличием концевой алифатической аммониевой группы (NH3)+, эффективно пассивирующей дефекты типа недокоординированного свинца [PbI5]. 3. Определены критерии и ограничения стратегии частичного замещения катиона свинца. Исследование 31 системы (CsFA)M0.01Pb0.99I3 показало, что такое замещение не предотвращает монотонное накопление дефектов при электронном облучении. Однако установлена чёткая корреляция между ионным радиусом замещающего катиона и радиационной стабильностью. Наилучшие показатели продемонстрировали ионы с радиусами в диапазонах ~80–90 пм и >100 пм. 4. Доказана исключительная устойчивость перовскитов к облучению протонами и установлена определяющая роль молекулярных модификаторов в управлении процессами радиационно-индуцированной перестройки. Эксперименты на циклотроне показали, что флюенсы протонов до 10^16 p/см2 не приводят к катастрофической деградации оптических свойств. Методами IR-sSNOM и РФА впервые показано, что модификаторы влияют на процессы сегрегации и рекристаллизации. Ряд спайсеров проявили себя как универсальные стабилизаторы, подавляя сегрегацию катионов MA/FA и сохраняя кристалличность, в то время как другие вызывали аморфизацию приповерхностного слоя и полное тушение фотолюминесценции. 5. Изучено специфическое воздействие нейтронного облучения, повреждающего преимущественно органическую подрешётку. Установлено, что нейтроны с флюенсом 10^13 n/см2 вызывают радиолиз органических катионов (снижение интенсивности пиков C 1s и N 1s в РФЭС), в то время как неорганический каркас [PbI6] остаётся более стабильным. Выделены модификаторы с пиридиновыми фрагментами, демонстрирующие повышенную нейтронную стойкость, и соединения, провоцирующие фазовое расслоение с образованием неактивной δ-фазы CsPbI3. 6. Создана и верифицирована компьютерная модель в Geant4 для прогнозирования радиационных эффектов. Моделирование для перовскитов MAPb1-xSnxI3 показало, что при энергиях электронов >1 МэВ основные потери энергии приходятся на ионизацию. Различия в радиационной стойкости между свинец- и оловосодержащими составами обусловлены не первичной ионизацией, а различным вкладом вторичных процессов (тормозного излучения, фотоэффекта), сечение которых выше для свинца. 7. С помощью машинного обучения выявлены ключевые дескрипторы радиационной стабильности и отобраны наиболее эффективные модификаторы. Корреляционный анализ (коэффициенты Пирсона и φk) и SHAP-анализ предсказательной модели CatBoost показали, что наибольший положительный вклад в стабильность вносят амино- (NH2) и аммониевые (NH3) группы в структуре модификатора, особенно связанные с ароматическим циклом. Наличие гидроксильных групп (OH) коррелирует с деградацией.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты могут использованы при проектировании солнечных ячеек на основе перовскитов для работы в экстремальных условиях, например в космосе. Кроме того результаты могут быть использованы при создании перовскитных детекторов ионизирующего излучения.