Данное направление развивается под руководством заведующего кафедрой Электронные приборы доктора технических наук профессора Козырева Е.Н. в СКГМИ (ГТУ) на протяжении нескольких лет.
Научные исследования в рамках проекта будут направлены на решение актуальной в настоящее время проблемы энергодефицита, которая является одной из самых обсуждаемых в мире.
Возобновляемые источники энергии – это использование солнечной энергии, энергия ветра, воды, и др. Наиболее перспективным в этой области направлением в настоящее время является использование солнечной энергии. Особенно это актуально для республики Северная Осетия - Алания, для всего Северо-Кавказского региона.
Технология солнечных элементов - является одним из эффективных способов преодоления энергетического кризиса. На этом фоне появилось новое, бурно развивающее направление – солнечные элементы на основе гибридных органо-неорганических полупроводниковых материалов с перовскитной структурой.
Данный класс полупроводников привлек к себе большое внимание в связи с его превосходными фотосорбционными характеристиками. Экстраординарная совокупность электрических свойств и абсорбционных характеристик гибридных перовскитов позволила в течение 2009-2020 годов повысить эффективность преобразования энергии солнечных элементов на их основе с 3,8% до 28%.
Этот материал может использоваться в солнечных батареях вместо кремния или как слой поверх кремниевых солнечных элементов, чтобы повысить производство энергии путем поглощения части спектрального диапазона, в которой кремний работать не может.
Теоретический максимум эффективности таких солнечных элементов оценивается более 30%, тогда как для кремниевых элементов он ограничен 27%, а на практике ~ 25%. Ключевыми проблемами перовскитной солнечной энергетики является недостаточная стабильность и долговечность перовскитных солнечных элементов. В настоящее время их долговечность измеряется в тысячах часов, что недостаточно для организации широкомасштабного производства.
Проблема деградации солнечных элементов на базе металлоорганических галоидных перовскитов (МГП) активно изучается в последнее время. Установлен ряд причин, связанных как с внешними факторами, такими, как влажность, присутствие кислорода, высокие температуры, ультрафиолетовое излучение и т.д., так и с внутренними факторами, такими как миграция ионов и электронов, межфазные реакции, поверхностные состояния и прочее. Ключевым внутренним фактором деградации является перестройка 3D-конфигурации МГП, приводящая к деградации катиона метиламмония (МА) с течением времени.
В данном проекте будут разработаны методы управления анизотропией структуры и свойств таких материалов, что открывает путь к формированию композитов на базе перовскитов с заданными функциональными свойствами, обеспечивающими повышенную стабильность и долговечность в условиях жесткой атмосферной эксплуатации при повышенных температурах, высокой влажности окружающей среды и интенсивном УФ-воздействии.
Перспективным направлением является разработка преобразователя солнечной энергии на основе наноструктурированного пористого анодного оксида алюминия. На этой основе будут разработаны технологии, направленные на получение многослойных фотонных кристаллов, обеспечивающих почти полное управление движением проходящего через них света при использовании так называемых разрешенных и запрещенных энергетических состояний для фотонов в видимом и примыкающих ним ближней инфракрасной и ультрафиолетовой областей спектра. Это позволит изменять дисперсионные свойства среды, значительно увеличивать источники яркости и повышать КПД преобразователей солнечной энергии. В результате будут созданы новые материалы на базе металлоорганических перовскитов на основе наноструктурированного пористого анодного оксида алюминия.
В результате выполнения проекта будут разработаны и созданы:
- новые материалы на базе металлоорганических перовскитов на основе наноструктурированного пористого анодного оксида алюминия;
- методы синтеза в пористой структуре НПАОА путем инкорпорирования различных оксидов металлов в качестве неорганических полупроводников с различным типом проводимости – транспортных слоев для переноса электронов и дырок, в том числе оксида никеля (p-типа), оксидов титана, цинка (n-типа);
- лабораторные технологические регламенты изготовления НПАОА на основе элементов фотонных кристаллов, концентрации растворов веществ для инкорпорирования в поры НПАОА, их режимы обработки;
- способы формирования наноструктур металлоорганических перовскитов путем инкорпорирования их в поры НПАОА. Отработка при этом методов синтеза соединений перовскита;
- исследование зарождения и роста НПАОА при электрохимическом анодировании путем оптимизации сложных электролитов и достижения лучшей упорядоченности пор оксида алюминия.
Возможные потребители ожидаемых результатов, а также возможные пути и необходимые действия по доведению до потребителя ожидаемых результатов: Основными потребителями ожидаемых результатов проекта являются предприятия-производители солнечных панелей: НПП «Квант» (г. Москва); ЗАО «Телеком-СТВ». (г. Москва, Зеленоград); ОАО «Сатурн» (г.Краснодар); АО «РЗМКП» (г. Рязань); ФГБУ ВИЭСХ (г. Москва), а также крупные холдинги, министерства и ведомства, ответственные за внедрение альтернативной экологически чистой энергетики и развитие инновационных секторов экономики.
Ключевой потребитель планируемых результатов - один из крупнейших производителей солнечных батарей в России ООО «Хевел». «Хевел» - совместное предприятие «Роснано» и «Реновы», имеющая в России завод по производству солнечных модулей (Новочебоксарск, Чувашия). Завод использует тонкопленочную технологию производства солнечных модулей методом напыления нанослоев, что совместимо с технологией производства перовскитных солнечных элементов. Годовой объем производства составляет более одного млн. панелей ежегодно. Также потребителями результатов могут стать зарубежные исследовательские центры, малые и средние предприятия, заинтересованные в научно-технологическом сотрудничестве с Россией, научные организации других регионов мира.
Сроки реализации проекта: 2023-2025 гг.
Объем финансирования 15 000 000 (пятнадцать миллионов) рублей.