Электронная структура гибридных перовскитов - нового поколения солнечных батарей

Проект: Проект-Грант

Описание

Гибридные (органические-неорганические) солнечные элементы со структурой перовскита привлекают все большее внимание,благодаря превосходным фотоэлектрическим характеристикам, обусловленным высоким коэффициентом поглощения, сбалансированным характером переноса заряда и низкой плотностью ловушек. Впервые такие элементы были предложены Miyasaka et al. в 2009 году [1], а также Park et al. в 2011 году [2], где гибридный перовскит типа MAPbX3 (где MA (methylamine) = CH3NH3, X (halide) = I или Br) использовался в качестве неорганического сенсибилизатора. В дальнейшем число таких публикаций резко растет и достигает сначала 56 в 2013 г., затем 460 в 2014 г. и, наконец, - 900 в 2015 году [3]. Главным преимуществом гибридных перовскитов является простота их получения из обычных солей металлов и промышленных химических органических соединений, а не из дорогих и редких элементов, используемых в высокоэффективных полупроводниковых аналогах, таких, как солнечные батареи на основе кремния и арсенида галлия. Не менее важно, что материалы на основе перовскитов могут быть использованы для печати фотоэлектроники не только на стекло, но и на другие материалы и поверхности. Это делает такие батареи гораздо дешевле, чем при более сложных способах получения существующих тонкопленочных солнечных элементов на основе Si или GaAs. Огромный прогресс достигнут в повышении эффективности перовскитных солнечных батарей, которая возросла от 3.8% в 2009 году [1] до 22.1% в начале 2016 г. [4, 5]. Однако, несмотря на высокую эффективность и относительно низкую стоимость, перовскитные солнечные элементы демонстрируют нестабильные свойства, которые ограничивают коммерческое производство таких материалов в будущем и становятся основной проблемой, которую необходимо срочно исследовать и решить. Чтобы понять основы деградации этих материалов и предложить способы решения этой проблемы, в настоящем проекте будут изучены два фактора: фотостойкость и термическая стойкость перовскитных солнечных элементов. Оба эти фактора будут исследованы на основе детальных исследований электронной структуры на основе измерений рентгеновских фотоэлектронных спектров (остовных уровней и валентных полос), которые чувствительны к химической связи и ее изменениям, вызванным фото- и теромо-деградацией. В настоящем проекте запанировано исследование влияние фото и термостойкости гибридных перовскитов на рентгеновские фотоэлектронные спектры в зависимости от: 1. Типа катиона и аниона: MAPbI3, MAPbBr3, FAPbBr3, CsPbI3, CsPbBr3, MAPbI2.7Br0.3, MAPbI2.7Cl0.3. 2. Типа подложек: ITO, FTO, glass, MoO3, ITO/PEDOT:PSS, ITO/TiO2, glass/PEDOT:PSS, glass/TiO2, FTO/TiO2. Фотооблучение и отжиг пр температуре 70-90 С в течение 50-300 часов будут проводиться внутри перчаточного бокса без доступа кислорода и влаги воздуха. Для повышения достоверности выводов, сделанных на основе измерений рентгеновских фотоэлектронных спектров, анализ полученных результатов будетпроведен на основе совокупности 5 параметров: - химического состава поверхности, - тонкой структуры XPS C 1s и N 1s-спектров, - химического сдвига Pb 4f7/2,5/2-спектров, - химического сдвига XPS I (Br) 3d5/2,3/2-спектров, - тонкой структуры и энергетического положения XPS валентных спектров. Все XPS-измерения будут выполнены на одном из лучших в мире лабораторных рентгеновских фотоэлектронных спектрометров (PHI XPS 5000 VersaProbe спектрометр (ULVAC-Physical Electronics, USA) с Al Kα монохроматизированным излучением (Е=1486.6 эВ) и высоким пространственным (100 мкм) и энергетическим (≤ 0.5 эВ) разрешением в вакууме (10-7 Ра). Кроме того будут выполнены численные расчеты электронной структуры с помощью хорошо апробированных методов теории функционала плотности, в том числе имеющихся кодов WIEN2k, SIESTA и др. Литература: 1. Kojima, A.; Teshima, K.; Shirai, Y.; Miyasaka, T. Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells. J. Am. Chem. Soc. 131 (2009) 6050–6051. 2. Im, J.-H.; Lee, C.-R.; Lee, J.-W.; Park, S.-W.; Park, N.-G. 6.5% efficient perovskite quantum-dot-sensitized solar cell. Nanoscale 3 (2011) 4088–4093. 3. Xing Zhao and Nam-Gyu Park, Stability Issues on Perovskite Solar Cells, Photonics 2 (2015), 1139-1151. 4. Polman A, Knight M, Garnett E C, Ehrler B and Sinke W C 2016 Photovoltaic materials: present efficiencies andfuture challenges Science 352(2016) 4424. 5. NREL research cell efficiency records www.nrel.gov/ncpv/ images/efficiency_chart.jpg
СтатусЗавершено
Действительная дата начала/окончания01/01/201730/06/2019

Keywords

  • 29.19.25 Взаимодействие проникающего излучения с твердыми телами
  • РНФ
  • НИЧ Мира