Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В ходе работ по проекту были разработаны новые подходы и технологические способы получения тонкопленочных гетероструктур с гибридными перовскитами, обеспечивающими повышенную термическую стабильность фазового состава и транспортных свойств в условиях, имитирующих космическое пространство. - Был разработан процесс нанесения перовскита с удалением растворителей методом вакуумной вспышки VASP (vacuum flash–assisted solution process) и VASP система. VASP позволяет наносить слои органических материалов, таких как перовскит, PCBM, BCP и пр. при комнатной температуре на широкоформатных подложках размером до 10 х 10 см2 и выше. Преимуществом метода обработки VASP является возможность обработки прекурсоров полученных разными методами нанесения, такими как центрифугирование, слот-матричная печать и пр. и совместимость с промышленными производственными процессами «sheet-to-sheet». - Был разработан способ синтеза и введения слоистого перовскита AVA2FAPb2I7 в объём перовскитной пленки. Синтез 2D перовскита осуществлялся методом механоактивации в планетарной мельнице. - Были проведены исследования внедрения пассивирующих диэлектрических и полупроводниковых оксидных прослоек в ФЭП с конфигурациями перовскит/диэлектрик и перовскит/оксидный полупроводник. Показано, что использование прослоек оксида алюминия и оксида олова повышает стабильность многослойных ФЭП на основе перовскита. - Была исследована морфология, шероховатость и степень зернистости пленок IBS NiOx, CsFA и CsFA-AVAI с помощью атомно-силовой микроскопии. Методом Кельвин-зонд микроскопии исследован фотопотенциал плёнок CsFaPbI3 и обнаруженных в них дендритных неоднородностей при освещении. - С помощью метода время-разрешённой фотолюминесцентной спектроскопии (TRPL) проведены исследования образцов при различной температуре, после термоциклирования, после облучения быстрыми электронами и после воздействия глубокого вакуума. Были охарактеризованы перовскитные пленки различных перовскитных композиций, в том числе со слоистыми перовскитами, а также с защитными покрытиями при комнатной температуре и при постепенном понижении до -110 С с шагом 20 С. Важно отметить, что методом TRPL при изменении температуры не было обнаружено отклонение характера спада люминесценции от аппроксимации по модели ABC для рассматриваемых перовскитных композиций с и без защитных покрытий - то есть в системах отсутствовали заряды в связанном состоянии даже при низких температурах, что чрезвычайно важно для использования в дальнейшем солнечных элементов с перовскитами для выработки электричества в условиях космического пространства. По результатам внешнего квантового выхода фотолюминесценции было определено, что для референсного образца после термоциклирования наблюдаются снижение PLEQE, вероятно, это происходит из-за деградации пленок. Напротив, образец, модифицированный слоистым перовскитом 5-AVAI после термоциклирования имел максимальное значение квантового выхода фотолюминесценции - 0.9%, что может быть связано с термокристаллизацией данного перовскита. Немодифицированный слоистым перовскитом стандарт вероятно после термоциклирования имеет большее число центров рекомбинации, поэтому его фотолюминесцентные свойства не отличаются высоким квантовым выходом при возбуждении 405 нм лазером. - Было проведено исследование процессов коррозии на гетерогранице перовскит/медь и сопутсвующих процессов разложения гибридного перовскита состава CsFA в структуре, имитирующей ФЭП (ITO/CsFA/Cu). - Были созданы структуры ФЭП с использованием оксида вольфрама. Максимальное значение плотности тока короткого замыкания достигнуто на конфигурации C60/WO3 со значением 22,5 мА/см2, максимальное напряжение холостого хода было достигнуто на конфигурации C60/WO3/BCP:Mx со значением 1,06 В. - Проведенный анализ показал принципиальные различия в механизмах деградации традиционных (A3B5, HJT Si) и перовскитных (CsFAPbI3) солнечных элементов (ФЭП) под влиянием космической среды. Для классических материалов (Si, A3B5) ключевым фактором ухудшения параметров является образование вакансий и междоузельных комплексов при облучении протонами и электронами, что сокращает время жизни неосновных носителей и снижает ток короткого замыкания, напряжение холостого хода и фактор заполнения. В перовскитных ФЭП деградация обусловлена ионной природой и смешанным галогенидным составом, приводящим к формированию дефектных кластеров на границах зерен и фазовой сегрегации. Концентрации ионных дефектов достигают ~3×10^15 см^–3, что требует пассивации и снижения энергии активации (Ea), связанной с ловушечными состояниями (0,71 эВ для опорных, 0,67 эВ для "перовскит-слоистый перовскит" (П-СП) конфигураций). Снижение концентрации ловушек до <10^14 см^–3 является ключевым для достижения высоких КПД. - Прототипирование p-i-n CsFAPbI3 ФЭП с различными фотоактивными слоями (П-СП AVA2FAPb2I7, перовскит/Al2O3, перовскит/SnO2, перовскит/WO3) и адаптация технологии на радиационно-стойком стекле К208, включая напыление ITO-анода и интеграцию на платах с контактными шинами, позволили получить КПД до 20,1% для опорной конфигурации в условиях 1.5 AM G. П-СП конфигурации первоначально имели КПД ~17%, но введение высокопроводящей добавки Ti3C2 повысило ток (до 25 мА/см^2) и КПД до 20,8%. При условиях АМ0 достигнуто ~17% КПД и ток короткого замыкания ~31 мА/см^2. - Спектральный анализ внешней квантовой эффективности показал, что для улучшения характеристик в ближней ИК-области необходима оптимизация электронно-транспортного интерфейса и подавление заряженных ловушек электронов. Диодные модели подтверждают улучшение стабильности при термоциклировании П-СП ФЭП.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Успешно отработаны технологические режимы слот-матричного нанесения для получения термо- и фотостабильных многослойных перовскитных структур на подложках размером до 50×50 мм и 50×92 мм. Для перовскитного состава Cs₀.₂FA₀.₈PbI₂.₉₃Cl₀.₀₇ методом slot-die/VASP достигнута высокая однородность плёнок с минимальным количеством дефектов, площадь которых составляет всего ~0.09–0.22%. Определены ключевые численные параметры дефектности для слоёв, полученных данным методом: концентрация подвижных ионов порядка ~1×10¹⁴ см⁻³, энергия активации ~0.55 эВ (вакансии органического катиона), время жизни носителей заряда ~1 мкс. Важным результатом является доказательство отсутствия в плёнках, полученных методом slot-die, одного из типов подвижных ионов, характерного для образцов, изготовленных методом spin-coating. Это свидетельствует о преимуществе масштабируемого метода в контроле дефектообразования и ионной миграции. Выполнена успешная интеграция квази-двумерного (2D) перовскита AVA₂FAPb₂I₇ в матрицу трёхмерного (3D) перовскита CsFAPbI₃, что было подтверждено методами Кельвин-зондовой силовой микроскопии и просвечивающей электронной микроскопии. Установлено, что 2D-фаза локализуется преимущественно на границах зёрен 3D-перовскита, обеспечивая эффективную пассивацию поверхностных состояний, повышение фазовой стабильности (подтверждённое сдвигом температуры фазового перехода на ДСК-термограммах) и подавление миграции ионов. На элементах малой площади (0.15 см²) данная модификация позволила увеличить средний КПД с 18.7% до 19.1%, при этом лучший образец показал КПД 20.8%. Значительно улучшена операционная стабильность: время деградации T80 возросло до более чем 1100 часов против 600 часов для контрольного образца. Апробирована альтернативная модификация на основе BA₂FAPb₂I₇. При печати методом slot-die с добавкой 1 мол.% BA₂FAPb₂I₇ достигнута повышенная морфологическая однородность плёнок, увеличение интенсивности фотолюминесценции и снижение скорости безызлучательной рекомбинации. Проведена оптимизация режимов ионно-лучевого напыления тонких плёнок SnO2 толщиной 10 нм на поверхность перовскитного слоя. Определён оптимальный режим (ток луча 50 мА, напряжение 900 В), обеспечивающий более высокую интенсивность фотолюминесценции перовскитного слоя (примерно на 40% выше по сравнению с другими режимами). Это указывает на формирование интерфейса более высокого качества с меньшей концентрацией рекомбинационных центров, связанных с кислородными вакансиями в оксидном слое. Проведён комплексный анализ фотоэмиссионных свойств. Для количественной оценки вклада различных механизмов рекомбинации успешно применены физические модели: ABC-модель (учитывающая мономолекулярную, бимолекулярную и Оже-рекомбинацию) и модель Шокли-Рида-Холла (SRH). Отработана методика время-разрешённой фотолюминесценции (TRPL) с использованием импульсного лазера и адаптацией времени развёртки для полного захвата кинетики затухания в различных типах образцов. Методом TRPL-картирования выявлена пространственная неоднородность фотоэмиссионных параметров (времён жизни экситонов τ_EM и рекомбинации SRH τ_SRH) в модифицированных плёнках, что является прямым методом выявления дефектных кластеров и областей фазовой нестабильности. Установлено, что образцы с квази-2D перовскитом AVA₂FAPb₂I₇ и слоем WO₃ демонстрируют повышенные и стабильные значения τ_SRH (до 350 нс), что указывает на эффективное подавление ловушечной рекомбинации. Выявлена ключевая проблема для долговременной стабильности - спонтанное поверхностное образование микрокристаллов галогенидов цезия при старении, являющееся источником дефектов. Подавление этого эффекта - критически важная технологическая задача для создания надёжных устройств космического назначения. Для структурного и оптического анализа перовскитных нанокристаллов на ITO использовались SEM, AFM и Рамановская спектроскопия, что позволило оценить их качество и выявить дефекты. Методом зондовой микроскопии проведены I-V измерения поведения носителей под действием света и электрического поля. Разработана одномерная дрейф-диффузионная модель, учитывающая миграцию ионов и туннелирование, для моделирования транспортных и фотоэмиссионных свойств. Исследован механизм резистивного переключения, объясняющий влияние дефектов (вакансий, мигрирующих ионов) на стабильность устройств. Показано, что инертные контакты минимизируют деградацию и предотвращают образование проводящих нитей, что важно для работы в космосе. Для численного моделирования в сильных полях внедрена модифицированная схема дискретизации Шарфеттера–Гаммеля. Разработан подход к анализу барьерных эффектов при инжекции носителей. Изучены свойства ITO на стекле К-208. Выявлены особенности роста: изменение соотношения In/Sn и повышенное содержание кислорода, снижающие концентрацию носителей до ~5×1019 см-3. При этом зафиксирована повышенная холловская подвижность — 65.8 см²·В⁻¹·с⁻¹. РФА подтвердил кубическую фазу In₂O₃ с минимальным смещением пиков, что указывает на стехиометричную структуру и высокое качество плёнки. С учётом хрупкости и УФ-поглощения стекла К-208 адаптированы режимы лазерного скрайбирования. Оптимальные параметры: мощность 1.5–3 Вт, скорость 10 мм/с, 2–4 прохода. АСМ подтвердил высокое качество реза: шероховатость 2–5 нм, размер зерен 30 нм. Плазменная активация поверхности К-208/ITO повысила смачиваемость: контактный угол снизился с ~84° до ~16°. Это обеспечило равномерное растекание чернил, необходимое для нанесения перовскитных слоёв методом slot-die. На основе отработанных технологий изготовлены прототипы ПСМ размерами 40×40 мм и 50×92 мм на подложках К-208/ITO. Применялись методы slot-die печати активных слоёв, модификация 2D перовскитом и лазерное скрайбирование. Для лучшей конфигурации структуры (К-208/ITO/NiO/СОМ/CsFAPbI₃/C₆₀/BCP/Bi/Cu) в стандартных наземных условиях освещения (AM1.5G) достигнуты следующие параметры: напряжение холостого хода 6 В, плотность тока короткого замыкания 20 мА/см², фактор заполнения 70.5%, КПД 14.2%. В условиях спектра AM0 КПД составил 10.9%. Внедрение дополнительных модификаций (BA₂FAPb₂I₇, MACl) позволило увеличить плотность фототока. Применение самоорганизующихся монослоев на интерфейсе привело к значительному повышению Uoc на 0.7 В и росту КПД на 3.2%, что подтверждает высокую эффективность пассивации интерфейсов данными материалами. Определены отрицательные температурные коэффициенты параметров, изучено поведение модулей при частичном затенении (показана бо́льшая стабильность модулей с СОМ), оценено напряжение пробоя, составляющее около 2.5 В на элемент.