ИСТИНА

Определить эффективные стратегии повышения КПД и стабильности перовскитных солнечных элементов путем установления ключевых корреляций между рабочими характеристиками устройств (вольтамперные характеристики, КПД, показатели стабильность и пр.), параметрами их изготовления и условиями хранения посредством проведения статистических исследований на большом массиве инкапсулированных устройств (более 6000 лабораторных ПСЭ), созданных внутри одной научной лаборатории и хранящихся в ее архиве.

Одним из важнейших направлений научно-технологического развития нашей страны является переход к возобновляемым источникам электроэнергии, среди которых важное место занимает солнечный энергоресурс. Преимуществами солнечной энергетики являются неисчерпаемый потенциал в увеличении выработки электроэнергии, возможность использования в различных нишах (стационарные электростанции, энергоснабжение удаленных регионов, энергоснабжение космических спутников и т.д.), отсутствие риска техногенных катастроф и выбросов в атмосферу. Последние годы в мире наблюдается возрастающий интерес к тонкоплёночным солнечным элементам (СЭ) третьего поколения, которые сочетают в себе высокую эффективность, компактность, возможность изготовления на гибких носителях и низкую стоимость производства. Наиболее ярким представителем тонкоплёночных СЭ является класс перовскитных солнечных элементов (ПСЭ), которые отличаются стремительным ростом рекордных КПД лабораторных прототипов (26.1% на момент 2024 года), а также низкой расчетной стоимостью номинальной мощности перовскитных модулей, составляющей ~0.4$/Вт*пик, что практически вдвое ниже стоимости номинальной мощности монокристаллических кремниевых СЭ. Однако в области перовскитной фотовольтаики существует ряд проблем, препятствующих коммерциализации ПСЭ, в первую очередь низкая эксплуатационная стабильность и плохая воспроизводимость рабочих характеристик изготавливаемых в лабораторных условиях прототипов ПСЭ. Многолетний экспериментальный опыт авторов данной заявки в области перовскитной фотовольтаики подтверждает тот факт, что ПСЭ являются крайне чувствительными к различным параметрам сборки устройств, что отражается в большом разбросе как вольтамперных характеристик, так и эксплуатационной стабильности ПСЭ. Более того, существует серьёзная проблема низкой воспроизводимости опубликованных в научной литературе данных. Поэтому одной из ключевых задач перовскитной фотовольтаики является определение статистически значимых факторов создания ПСЭ, влияющих на их КПД и стабильность. Для решения данной задачи в литературе был предложен подход по созданию единой базы с большим массивом экспериментальных данных по ПСЭ, полученным разными коллективами в разных лабораториях, на разном оборудовании по разным методикам и его последующему анализу методами математической статистики и машинного обучения. Однако результаты подобных исследований, к сожалению, оказались малоинформативны из-за невозможности учета огромного числа факторов, связанных с конкретными условиями изготовления устройств: параметров экспериментальных установок, атмосферы боксов, чистоты реактивов, человеческого фактора и т.д. В данном проекте будет реализован более перспективный подход к решению данной задачи и проведен статистический анализ большого массива устройств (более 6000 солнечных элементов), изготовленных в рамках одной лаборатории с использованием одного приборного парка, инкапсулированных по единой разработанной в лаборатории методике [1] и хранящихся в архиве лаборатории на протяжении последних трех лет. В результате работы с архивом будет создана уникальная база данных солнечных элементов, произведена характеризация и ретроспективный анализ архива устройств комплексом современных физико-химических методов, включая элементы машинного обучения, целью которого является поиск основных корреляций между параметрами сборки устройств и их рабочими характеристиками. Также в рамках проекта будет проведено исследование долговременной стабильности ПСЭ как в условиях длительного хранения в темноте, так и в режимах светоциклирования и непрерывного облучения светом и опробованы подходы по регенерации ПСЭ, подвергшихся длительному хранению, посредством свето-температурной и электрохимической обработки. [1] Nikolai A. Belich, Andrey A. Petrov, Pavel A. Ivlev, Natalia N. Udalova, et al., Journal of Energy Chemistry, 2023, 78, 246-252, https://doi.org/10.1016/j.jechem.2022.12.010

По итогу первого этапа проекта предполагается получение следующих результатов: 1) Создана первая в мире база данных об условиях изготовления и функциональных характеристиках инкапсулированных ПСЭ, изготовленных с использованием одинакового синтетического оборудования в рамках одной лаборатории; 2) Разработаны инструменты для статистического анализа созданной БД с учетом её особенностей (код, написанный на языке Python, оптимальные алгоритмы статистического анализа и модели машинного обучения); 3) Установлены корреляции состава светопоглощающего слоя со стабильностью ПСЭ в течение длительного времени хранения устройств в темноте в режиме открытой цепи; 4) Выявлены термодинамически стабильные/нестабильные во времени составы смешаннокатионных гибридных перовскитов в ПСЭ и возможности их обратимой рекристаллизации и регенерации; 5) Сформированы группы ПСЭ из созданной базы данных в зависимости от трендов изменения вольтамперных характеристик во времени в режиме выдерживания образцов в условиях разомкнутой цепи в темноте и построение гипотез причин деградации/стабильности устройств.

Руководитель проекта активно занимается исследованиями в области фотовольтаики и оптоэлектроники. Имеет многолетний опыт выполнения российских и международных проектов. В 2021 году успешно защитила кандидатскую диссертацию по теме “Химическая и фотохимическая деградация гибридных галогеноплюмбатных перовскитов” на ДС МГУ.02.09 по специальности «Химия твёрдого тела». Автором заявки были исследованы основные факторы и пути деградации гибридных перовскитов, разработаны новые протоколы и методики исследования процессов деградации гибридных перовскитов под воздействием различных факторов, а также определены основные продукты деградации гибридных перовскитов. Впервые обнаружены механизмы сопутствующей деградации золотого и медного электродов в составе перовскитного солнечного элемента полииодидными продуктами распада гибридного йодоплюмбата. Также автором заявки совместно с коллегами были исследованы особенности кристаллизации гибридных галогеноплюмбатов путем конверсии иодида свинца полииодидным расплавом метиламмония. Также было обнаружено, что в процессе растворного синтеза слоистых йодоплюмбатов происходит образование нового типа дефектов упаковки перовскитоподобных слоев, влияющих на оптоэлектронные свойства материала. Также была проведена систематизация различных растворителей по отношению к гибридным перовскитам и выявлено три ключевых параметра растворителя – донорное число, дипольный момент и сила водородной связи по Хансену. Также сформулирована обобщающая модель фотодеградации гибридных йодоплюмбатов, представленная в рамках защиты кандидатской диссертации. Автор заявки также участвовала в совместной разработке уникальной методики инкапсуляции перовскитных солнечных элементов. Помимо этого, автор заявки разработала ряд методик для повышения стабильности гибридных йодоплюмбатов и солнечных элементов на их основе с помощью модификации светопоглощающего материала органическими полифункциональными молекулами.

По итогу второго этапа проекта предполагается получение следующих результатов: 1) Расширенная версия базы данных инкапсулированных перовскитных солнечных элементов; 2) Статистика массива инкапсулированных ПСЭ по их стабильности в условиях хранения в темноте в режиме открытой цепи, в условиях светоциклирования, в условиях непрерывного выдерживания под солнечным светом в точке максимальной мощности в диапазоне температур 23–85°С; 3) Сформулированные закономерности между эксплуатационными характеристиками инкапсулированных ПСЭ и параметрами их сборки, результатом которых станет ряд рекомендаций по оптимизации процесса сборки и/или архитектуры устройств для достижения более высоких значений КПД и/или стабильности.