Проект реализуется в рамках программы "ПРИОРИТЕТ 2030".
Ключевой задачей данного проекта является как создание перовскитных солнечных батарей с высокой стабильностью к экстремальным условиям, так и установление всех механизмов и природы процессов в указанных материалах, что будет способствовать дальнейшему развитию отрасли и появлению новых материалов для применения в космосе и энергоснабжения космических аппаратов.
Эта задача будет решаться за счет систематических и комплексных исследований, направленных на установление взаимосвязи состава фотоактивного материала и архитектуры зарядово-транспортных слоев с эффективностью и устойчивостью к действию мощных потоков ускоренных частиц, гамма-излучения, высоких/низких температур, воздействию УФ-излучения.
Для разработки эффективных подходов к подавлению деградации функциональных компонентов солнечных батарей под действием ионизирующего излучения необходимо глубокое понимание механизмов протекающих процессов. Мы планируем детально исследовать влияние пучков высокоэнергетических частиц и гамма-лучей, высоких температур и УФ-излучения на структурные, оптоэлектронные, электрофизические и морфологические характеристики различных типов фотоактивных и зарядово-транспортных материалов. Кроме того, будет прослежена эволюция параметров солнечных элементов, изготовленных на основе указанных материалов, в зависимости от плотности потока частиц и общей дозы поглощенного ионизирующего излучения. Систематический анализ полученных данных позволит выявить механизмы протекающих деградационных процессов и предложить конкретные пути их подавления, что является важным шагом к созданию радиационно-стабильных перовскитных солнечных батарей. Отдельное внимание в рамках проекта планируется установлению закономерностей деградации и механизмов создания точечных дефектов в слое-поглотителе и зарядово-транспортных слоях. Кроме того, при облучении тяжелыми частицами возможно появление короткоживущих изотопов, а образующиеся продукты распада таких радиоактивных изотопов могут приводить как к образованию точечных дефектов и деградации PSC, так и самозалечиванию дефектов.
Выполнение данного проекта напрямую ориентировано на создание технологических заделов для освоения космоса,что должно также обеспечить экономический рост и социальное развитие Российской Федерации.
В рамках представленного проекта предусмотрено проведение комплекса исследований, включающие в себя несколько задач:
1. Исследование структурных характеристик и оптических свойств тонких пленок фотоактивных и зарядово-транспортных материалов.
Полностью неорганические перовскиты представляются наиболее перспективными в плане их применения в космосе, поскольку эти материалы обладают отличной термической стабильностью и не разлагаются до температур ~400 ℃. Поэтому они могли бы легко выдерживать циклические перепады температуры при работе на орбите. К сожалению, наиболее перспективные составы материалов, такие как CsPbI3 или CsPbI2Br, имеют несколько полиморфов, а желаемые черные фотоактивные фазы не являются термодинамически стабильными при низких температурах (Композиционная инженерия является одной из наиболее эффективных стратегий дизайна фотоактивных материалов перовскитного типа с заданными свойствами. В этом проекте мы также планируем изучить влияние частичной замены катионов Pb2+ в на ионы других металлов на термическиую и радиационную стабильность полученных материалов. Так ранее показано, что комплексный галогенид свинца Cs0.12FA0.88PbI3 в тонких пленках в значительной степени деградирует после 4000 часов непрерывного облучения светом (100 мВт/см2, 60 ℃). Напротив, пленки материала Cs0.12FA0.88Pb0.99Ni0.01I3, в которых 1% свинца замещен на ионы Ni2+, не демонстрируют никаких признаков разложения в тех же условиях. Таким образом, даже незначительная вариация состава материала приводит к существенному увеличению его фотостабильности. Сходных результатов можно также ожидать при исследовании радиационной стабильности комплексных галогенидов свинца различного состава.
Таким образом, свойства комплексных галогенидов свинца, в первую очередь – их стабильность, могут быть улучшены за счет направленной инженерии состава этих материалов.
Зарядово-транспортные слои являются важными компонентами перовскитной солнечной батареи. В частности, они обеспечивают эффективную стабилизацию фотоактивного полупроводникового материала за счет блокирования диффузии продуктов разложения комплексных галогенидов свинца. Известно, что практически все реакции термической и фотохимической деградации комплексных галогенидов свинца являются обратимыми, потому сохранение всех продуктов разложения внутри фотоактивного слоя обеспечивает его регенерацию (J. Phys. Chem. Lett., 2017, 8, 1211; J. Phys. Chem. Lett., 2020, 11, 333; Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2020, 213, 110559). Этот момент является также крайне важным для обеспечения высокой радиационной стабильности перовскитных солнечных батарей, т.к. «самозалечивание» дефектов, вызванных ионизирующим излучением, требует исключить потерю из системы летучих продуктов радиолиза, таких как CH3I и NH3, что было показано в нашей недавней работе (J. Phys. Chem. Lett., 2020, 11, 2630).
2. Исследование влияния облучения высокоэнергетическими потоками частиц и гамма-лучами на перовскитные и органические фотоактивные материалы и зарядово-транспортные слои.
Несмотря на всё возрастающее число работ в области радиационной стойкости перовскитов, они представляют собой лишь разрозненные попытки установить первичные параметры и оценить устойчивость PSC к ионизирующему излучения. В тоже время на сегодня не существует какого-либо систематического исследования, затрагивающего такие вопросы как закономерности радиационного дефектообразования в перовскитах, динамику дефектов, зарядовые и транспортные эффекты, возможное фазовое разделение и другие. Более того, имеющиеся в литературе данные указывают, что различные составляющие спектра ионизирующего излучения на околоземной орбите и/или в дальнем космосе могут оказывать разное влияние на PSC. Таким образом одной из важнейших задач данного проекта является не только лишь систематическое изучения радиационной устойчивости PSC в зависимости от состава слоя-поглотителя и архитектуры зарядово-транспортных слоёв, но и установление закономерностей радиационного дефектообразования, установление природы дефектов, их динамики и влияния образующихся дефектов на характеристики солнечных ячеек. В этой связи нами планируется проведение ряда экспериментов с облучением PSC потоками высокоэнергетических электронов, протонов и гамма-квантов.
В рамках проекта планируется взаимодействие как с российскими, так и с зарубежными научными коллективами. Обновление лабораторного парка, в том числе приобретение ряда лабораторного оборудования для производства материалов солнечной энергетики позволит создать уникальный исследовательский комплекс в котором будет происходить синтез материалов, исследование радиационной стабильности на целом комплексе установок и последующая характеризация с использованием имеющегося лабораторного оборудования. При этом важным моментом указанного цикла является возможность не только фундаментальных исследований но и получение и исследование готовых образцов солнечных элементов и светодиодов. Отдельное внимание будет уделено привлечению молодых учёных, в особенности студентов направлений 11.04.04 "Электроника и наноэлектроника" и 14.04.02 Ядерные физика и технологии. Уже со старта проекта к его выполнению привлекаются 2 аспиранта и 2 выпускника 2022 года, планирующие поступление в аспирантуру. Таким образом на базе лаборатории будет создан молодой коллектив, работающий на современном оборудовании в рамках развития одной из наиболее интенсивно развивающихся тематик в области материаловедения, физики и химии, что несомненно приведет как росту числа публикационной активности, качеству публикаций, так и к появлению новых для университета исследовательских проектов, имеющих важное прикладное значение.
Таким образом с учётом вышеизложенного проект соответствует КБК 0708 «Прикладные научные исследования в области образования» в части выполнения прикладных исследований и научных разработок организациями высшего образования. Проект соответствует целям 2 и 3 Стратегического проекта 4 «Академическое превосходство» поскольку для выполнения научных исследователей организуется новый научный коллектив, состояний преимущественно из исследователей до 39 лет: 2 кандидата наук до 39 лет, 2 аспиранта, 2 выпускника магистратуры 2022 года, а также молодые учёные без степени, в том числе привлеченные из сторонних организаций.