Жоба №6. AP13067629 Мыс тиоцианаты/мыс оксиді нанокомпозиттік пленкалары негізінде перовскиттік күн элементтерін әзірлеу

Ғылыми жетекші: Ильясов Б.Р.

Конкурс атауы

ҚР БҒМ, 2022-2024 жыл (34 ай)

Қаржыландыру суммасы: 72.313 млн. тенге

Жобаның аннотациясы

Берілген жобада CuSCN/Cu₂O нанокомпозитті қабықша негізіндегі тұрақты және жоғарытиімділіктегі перовскитті күн элементтері жасалынады. Бұл үшін перовскитті қабатты синтездеу әдісі оптимизацияланады және электрлік қасиеттермен және бақыланған морфологиясымен CuSCN, Cu₂O және CuSCN/Cu₂O қабықшаларын синтездеу әдісі әзірленеді. PSCs-тің функционалды материалдарын деградациясының себебі мен PSCs заряд тасушыларды ауыстыру және генерациялау механизімі зерттеледі.

Жобаның мақсаты

CuSCN/Cu2O нанокомпозиттік пленкалар негізінде перовскиттік күн элементтерінің сипаттамалары мен тұрақтылығын жақсарту.

Жобаның тапсырмалары:

1 тапсырма. Бақыланатын морфологиясы және электрлік қасиеттері бар CuSCN пленкаларын синтездеу

2 тапсырма. Бақыланатын морфологиясы және электрлік қасиеттері бар CuSCN/Cu2O нанокомпозиттік пленкаларын синтездеу.

3 тапсырма. CuSCN/Cu2O нанокомпозиттік пленканың бетіне перовскит қабатын синтездеу.

4 тапсырма. CuSCN/Cu2O нанокомпозиттік пленкалары негіздегі перовскиттік күн элементтеріндегі заряд тасушылардың рекомбинация механизмдерін зерттеу.

5 тапсырма. CuSCN/Cu2O нанокомпозиттік пленкалары негіздегі перовскиттік күн элементтеріндегі деградация механизмдерін зерттеу.

Жобаның өзектілігі

Перовскиттік құрылымы бар органикалық-бейорганикалық металл-галоидты материалдарға негізделген үшінші буын күн элементтері фотовольтаика саласындағы мамандардың назарын аударуда. Бұл перовскиттік күн элементі материалдарының арзан құндылығына және оларды құрастырудың қарапайым технологиясына байланысты. Соңғы 11 жыл ішінде перовскиттік күн элементтерінде күн энергиясын электр энергиясына түрлендіру тиімділігі (Perovskite solar cells, PSCs) 3,8% — дан 25.6% — ға дейін өсті.

Перовскиттік күн панельдерінің жаппай өндірілуіне кедергі келтіретін негізгі мәселе PSCs негізгі компоненттерінің деградациясымен, фотовольтаикалық сипаттамалардың тұрақсыздығымен және әлі де PSCs құрылымының оңтайландырылмағандығымен байланысты. Ұсынылып отырған жобада PSCs құрылымын оңтайландыру арқылы PSCs-тің фотовольтаикалық көрсеткіштері мен тұрақтылығын арттыру жолдары анықталады.

PSCs-тің негізгі компоненттерінің бірі фотоактивті перовскит қабатымен гетероөтуді түзетін кемтікті өткізгіштігі бар қабат болып табылады. Бұл кемтікті өткізгіштігі бар қабаттың (hole transport layer, HTLs) электрлік, оптикалық және құрылымдық қасиеттері PSCs-тің фотовольтаикалық сипаттамалары мен тұрақтылығына айтарлықтай әсер етеді. Бұл жобада біз мыс тиоцианаты (I) (CuSCN) және мыс оксиді (Cu₂O) негізінде оңтайлы морфологиясы, оптикалық және электрлік қасиеттері бар нанокомпозиттік HTLs синтездеуді жоспарлап отырмыз. Сонымен қатар, перовскит құрылымын және перовскит/(CuSCN/Cu₂O) шекаралық қабатын оңтайландыру мақсатында CuSCN/Cu₂O нанокомпозиттік пленканың бетінде перовскит қабатын синтездеу әдістерін әзірлеу жоспарлануда. Және де, перовскит пленкасының бетіне ZnO, SnO₂ пленкаларын және фуллерен туындыларын қолдану әдістері әзірленеді. Осы жоба аясында жүргізілген зерттеулер көп компонентті наноқұрылымды PSCs материалдарында заряд тасушыларды генерациялау және тасымалдау механизмдері және осы материалдардың деградацияға ұшырау процестері туралы білім алуға мүмкіндік береді.

Оңтайландырылған PSCs құрылымын жасау PSCs-тің ұзақ және тиімді жұмысын қамтамасыз ету үшін фотовольтаикалық сипаттамаларды жақсартуға және анықталған деградация механизмдерін болдырмауға мүмкіндік береді. Қымбат емес перовскиттік күн элементтерінің қызмет ету мерзімін ұзарту Қазақстан мен басқа елдерге күн энергиясын кеңінен пайдалануға мүмкіндік береді. Бұл қазбалы отынды пайдаланумен байланысты шығарындыларды қысқартуға мүмкіндік береді. Кең мағынада, бұл жұмыс арзан күн панельдерін пайдалану арқылы экономикалық дамуға және қоршаған ортаны қорғауға ықпал етеді.

Жобаның мақсаты: CuSCN/Cu2O нанокомпозиттік пленкалар негізінде перовскиттік күн элементтерінің сипаттамалары мен тұрақтылығын жақсарту.

Жобаның тапсырмалары:

1 тапсырма. Бақыланатын морфологиясы және электрлік қасиеттері бар CuSCN пленкаларын синтездеу

3 тапсырма. CuSCN/Cu2O нанокомпозиттік пленканың бетіне перовскит қабатын синтездеу.

Күтілетін нәтижелер

Жоба шеңберінде жүргізілген ғылыми зерттеулердің нәтижелері негізінде Web of Science базасының Science Citation Index Expanded индекстелетін және (немесе) Scopus базасында кемінде 50 (елу) Сitescore бойынша процентилі бар жобаның ғылыми бағыты бойынша рецензияланатын ғылыми басылымдарда кемінде 2 (екі) мақала және (немесе) шолулар жарияланатын болады; КОКСОН ұсынған рецензияланатын шетелдік немесе отандық басылымда кемінде 1 (бір) мақала немесе шолу Web of Science базасында импакт-фактор бойынша 1 (бірінші) квартильге кіретін рецензияланатын ғылыми басылымда кемінде 1 (бір) мақала немесе шолу, сондай-ақ жобаның ғылыми бағыты бойынша 1 монография немесе оқу құралы жарияланады.

Бұл жобаның ғылыми әсері көп компонентті және композитті наноқұрылымды күн элементтеріндегі заряд тасушыларды тасымалдау механизмдері туралы, перовскиттік күн элементтерінің материалдарындағы деградация процестері туралы, заряд тасушыларды тасымалдау процестерінің жергілікті корреляциясы және құрылымдық, композициялық және функционалды өзгерістері бар деградация туралы білім болып табылады.

Нәтижелердің мақсатты тұтынушылары академиялық мекемелер де, электронды аспаптар мен құрылғыларды жасаумен айналысатын өндірістік компаниялар да бола алады.

Жобаның соңғы нәтижесі құрылғылардағы заряд тасушылардың тасымалдануы мен жинақталуын жақсартуға, анықталған деградация механизмдерін болдырмауға және күн элементтерінің ұзақ және тиімді жұмыс істеуін қамтамасыз етуге мүмкіндік беретін перовскиттік күн элементтерінің оңтайландырылған құрылымын әзірлеу болып табылады.

Қымбат емес перовскиттік күн элементтерінің қызмет ету мерзімін ұзарту Қазақстанға және басқа елдерге күн энергиясын кеңінен пайдалануға мүмкіндік береді. Бұл қазбалы отынды пайдаланумен байланысты шығарындыларды қысқартуға мүмкіндік береді. Кең мағынада, бұл жұмыс перовскиттік күн элементтерінің қызмет ету мерзімін және тиімділігін ұзарту арқылы экономикалық дамуға және қоршаған ортаны қорғауға ықпал етеді.

Зерттеу тобының мүшелері

Ильясов Бауржан Рашитович, жобаның ғылыми жетекшісі, PhD, қауымдастырылған профессор.

Индекс Хирша — 4;

Author ID в Scopus-56669724700;

Researcher ID Web of Science — C-1411-2015;

ORCID ID — 0000-0003-4563-2004;

Researcher ID in Publons — C-1411-2015;

Кудряшов Владислав Владимирович, жетекші ғылыми қызметкер, PhD.

Индекс Хирша — 3

https://orcid.org/

0000-0002-5667-611X

Scopus 57196782106

Завгородний Алексей Владимирович, аға ғылыми қызметкер, PhD

Сейсенбаева Гулсая Сериковна, ғылыми қызметкер, жаратылыстану ғылымының магистрі

Накипова Саяжан Жеткеновна, кіші ғылыми қызметкер, техника ғылымдарының магистрі

Таңдалған жарияланымдар тізімі:

— X.S. Rozhkova, A.K. Aimukhanova, B.R. Ilyassov*, A.K. Zeinidenova The role of alcoholic solvents in PEDOT:PSS modification as hole transport layers for polymer solar cells // Optical Materials, Volume 131, 2022, 112708 https://doi.org/10.1016/j.optmat.2022.112708

— G.I. Omarbekova, B.R. Ilyassov*, A.K. Аimukhanov, D.T. Valiev, A.K. Zeinidenov, V.V .Kudryashov The role of surface defects in the charge transport in organic solar cells based on oxidized In2O3 thin films // Surfaces and Interfaces, Volume 31, July 2022, 102026 https://doi.org/10.1016/j.surfin.2022.102026 (Q1, 4.8 CiteScore, 4.837 Impact Factor)

— T. E. Seisembekova, A. K. Aimukhanov, A. K. Zeinidenov & B. R. Ilyassov* Competitive charge transport processes in inverted polymer solar cells based on ZnO thin films // Applied Physics A volume 128, Article number: 407 (2022) https://link.springer.com/article/10.1007/s00339-022-05560-7 (Q2, 2.584 Impact factor, CiteScore 3.5, SJR 0.485, SNIP 0.766)

— Zeinidenov, T. Mukametkali, B. Ilyassov*, A. Aimukhanova, D. Valiev The effect of MoO3 interlayer on electro-physical characteristics of the perovskite solar cells // Synthetic Metals, Volume 281, November 2021, 116903 https://doi.org/10.1016/j.synthmet.2021.116903 (WoS, Q2, 3.266 Impact Factor, 5.2 CiteScore)

— Ilyassov B., Ibrayev N., Nuraje N. Hierarchically assembled nanostructures and their photovoltaic properties. Journal Materials Science in Semiconductor Processing, Volume 40, 2015, Pages 885-889, https://doi.org/10.1016/j.mssp.2015.07.087

— A.K. Zeinidenov, A.K. Aimukhanov, D.S. Kambar, B.R. Ilyassov, A.V. Zavgorodniy. Effects of phthalocyanine nanostructure on photovoltaic performance of its polymer composite thin films // Materials Chemistry and Physics, 2021, 124680, https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2021.124680

— A.K. Aimukhanov, X.S. Rozhkova, B.R. Ilyassov, A.K. Zeinidenov, N. Nuraje. The influence of structural and charge transport properties of PEDOT:PSS layers on the photovoltaic properties of polymer solar cells // Polymers for Advanced Technologies, Volume 32, Issue 2, 2021, Pages 497-504, https://doi.org/10.1002/pat.5102

— A. Alekseev, A. Yedrissov, Ilyassov B., G. J. Hedley, D. W. Samuel, S. Kharintsev. Mapping hole mobility in PTB7 films at nanoscale // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Volume 699, 2019, 012001, https://doi.org/10.1088/1757-899X/699/1/012001

— A.K. Aimukhanov, B.R. Ilyassov, A.K. Zeinidenov, A.V. Zavgorodniy. The effect of CuPc nanostructures on the photo and electrophysical characteristics of the active layer P3HT/PCBM // Eurasian Journal of Physics and Functional Materials, Volume 3, Issue 4, 2019, Pages 339-347, DOI: 10.29317/ejpfm.2019030406

— M. Moniruddin, B. Ilyassov, E. Seliverstova, Y. Shabdan, N. Bakranov, N. Ibrayev, N. Nuraje. Bioinspired Study of Energy and Electron Transfer in Photovoltaic System // The Journal of Experimental Nanoscience, 12:1, 2017, Pages 285-296, DOI: 10.1080/17458080.2017.1321794

— M. Moniruddin, B. Ilyassov, X. Zhao, E. Smith, T. Serikov, N. Ibrayev, R. Asmatulud, N. Nuraje. Recent progress on perovskite materials in photovoltaic and water splitting applications // Materials Today Energy, Volume 7, 2018, Pages 246-259, https://doi.org/10.1016/j.mtener.2017.10.005

— Ilyassov B., Ibrayev N. (2016). Synthesis of nanostructured films of zinc oxide and a study of its structural and luminescent properties. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 110, 012060(1-4)

— Ilyassov B. Ibrayev N. Abzhanova D. (2015). Effect of morphology of ZnO nanowire arrays on photovoltaic and electron transport properties of DSSC. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 81, 012046(1-6).

Books:

Shabdan, B. Hanford, B. Ilyassov, K. Dikhanbayev, and N. Nuraje, invited book chapter «Perovskite Solar Cell» in the book, title of the book: Multifunctional Nanocomposites for Energy and Environmental Applications, ISBN: 978-3-527-34249-5, Jan 2018, 704 pages, Wiley, US.