Проект №6. Разработка перовскитных солнечных элементов на основе нанокомпозитных пленок тиоцианата меди/оксида меди

Научный руководитель: Ильясов Б.Р.

Наименование конкурса

МОН РК, 2022-2024 годы (34 мес)

Сумма финансирования: 78.313 млн. тенге

Аннотация проекта

В предлагаемом проекте будут разработаны высокоэффективные и стабильные перовскитные солнечные элементы на основе нанокомпозитных пленок CuSCN/Cu2O. Для этого будут разработаны методы синтеза пленок CuSCN, Cu2O и CuSCN/Cu2O с контролируемой морфологией и электрическими свойствами, и оптимизированы методы синтеза перовскитного слоя. Будут изучены механизмы генерации и переноса носителей заряда в PSCs, и причины деградации функциональных материалов в PSCs.

Цель проекта

Улучшение характеристик и стабильности перовскитных солнечных элементов на основе нанокомпозитных пленок CuSCN/Cu2O. Для реализации цели проекта будут разработана технология синтеза CuSCN/Cu2O пленок с контролируемой структурой, морфологией и электрическими свойствами. Также будет оптимизирован метод синтеза перовскитного слоя на поверхности нанокомпозитного слоя CuSCN/Cu2O для улучшения структуры перовскитного слоя и границы раздела.

Задача 1. Синтез пленок CuSCN с контролируемой морфологией и электрическими свойствами.

Задача 2. Синтез нанокомпозитной пленки CuSCN/Cu2O с контролируемой морфологией и электрическими свойствами.

Задача 3. Синтез перовскитного слоя на поверхности нанокомпозитной пленки CuSCN/Cu2O.

Задача 4. Исследовать механизмы рекомбинации носителей заряда в перовскитных солнечных элементах на основе нанокомпозитных пленках CuSCN/Cu2O.

Задача 5. Исследовать механизмы деградации в перовскитных солнечных элементах на основе нанокомпозитных пленках CuSCN/Cu2O.

Актуальность проекта:

Солнечные элементы третьего поколения на основе органо-неорганических металлогалоидных материалов с перовскитной структурой привлекают большое внимание специалистов в области фотовольтаики. Это связано с низкой себестоимостью материалов перовскитного солнечного элемента и простой технологией их сборки. За последние 11 лет эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую у перовскитных солнечных элементов (Perovskite solar cells, PSCs) увеличилась со значения 3,8% [1] до 25.6% [2]. Основная проблема, сдерживающая массовое производство перовскитных солнечных панелей, связана с деградацией основных компонентов PSCs, нестабильностью фотовольтаических характеристик и все еще не оптимизированной структурой PSCs. В предлагаемом проекте будут определены пути повышения фотовольтаических показателей и стабильности PSCs за счет оптимизации структуры PSCs.

Одним из ключевых компонентов PSCs являться слой с дырочной проводимостью, который формирует гетеропереход с фотоактивным перовскитным слоем. Электрические, оптические и структурные свойства данного слоя с дырочной проводимостью (hole transport layers, HTLs) в значительной степени влияют на фотовольтаические характеристики и стабильность PSCs. В данном проекте мы планируем синтезировать нанокомпозитные HTLs с оптимальной  морфологией, оптическими и электрическими свойствами на основе тиоцианата меди(I) (CuSCN) и оксида меди (Cu2O). Также планируется разработать методы синтеза перовскитного слоя на поверхности нанокомпозитной пленки CuSCN/Cu2O с целью оптимизации структуры перовскита и границы раздела перовскит/(CuSCN/Cu2O). Кроме того, будут разработаны методы нанесения пленок ZnO, SnO2 и производных фуллерена на поверхности перовскитной пленки. Исследования, проводимые в рамках данного проекта, позволят получить знания о механизмах генерации и переноса носителей заряда в многокомпонентных наноструктурированных материалах PSCs, и процессах деградации этих материалов.

Разработка оптимизированной структуры PSCs позволит улучшить фотовольтаические характеристики и избежать выявленных механизмов деградации, что обеспечит более длительную и эффективную работу PSCs. Продление срока жизни недорогих перовскитных солнечных панелей позволит Казахстану и другим странам широко использовать солнечную энергию. Это позволит сократить выбросы, связанные с использованием ископаемого топлива. В более широком смысле, данная работа будет способствовать экономическому развитию и защите окружающей среды за счет использования недорогих солнечных панелей.

Ожидаемые результаты

На основе результатов научных исследований, проведенных в рамках проекта, будет опубликовано не менее 2 (двух) статей и (или) обзоров в рецензируемых научных изданиях по научному направлению проекта, индексируемых в Science Citation Index Expanded базы Web of Science и (или) имеющих процентиль по CiteScore в базе Scopus не менее 50 (пятидесяти); не менее 1 (одной) статьи или обзора в рецензируемом зарубежном или отечественном издании, рекомендованном КОКСОН (либо не менее 1 (одной) статьи или обзора в рецензируемом научном издании, входящем в 1 (первый) квартиль по импакт-фактору в базе Web of Science). Также будет опубликована 1 монография или учебное пособие по научному направлению проекта.

Научным эффектом данного проекта будет являться знание о механизмах переноса носителей заряда в многокомпонентных и композитных наноструктурированных солнечных элементах, процессах деградации в материалах перовскитных солнечных элементов, локальная корреляция процессов переноса носителей заряда и деградации со структурными, композиционными и функциональными изменениями.

Целевыми потребителями результатов могут быть как академические учреждения, так и компании-производители, занимающиеся разработкой электронных приборов и устройств;

Окончательным результатом проекта будет являться разработка оптимизированной структуры перовскитных солнечных элементов, которая позволит улучшить перенос и накопление носителей заряда в устройствах, избежать выявленных механизмов деградации и обеспечить более длительное и эффективное функционирование солнечных элементов.

Члены исследовательской группы

Ильясов Бауржан Рашитович, научный руководитель проекта, PhD, ассоциированный 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, ведущий научный сотрудник, PhD.

Индекс Хирша — 3

https://orcid.org/

0000-0002-5667-611X

Scopus 57196782106

Завгородний Алексей Владимирович, старший научный сотрудник, PhD

Абжанова Диана Бейбитовна, научный сотрудник, магистр-инженер

Сейсенбаева Гулсая Сериковна, младший научный сотрудник, магистр естественных наук

Список избранных публикаций:

— 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