Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка и создание технологии получения нового поколения солнечных батарей на органической основе с повышенной эффективностью с использованием углеродных функционализированных наноструктур, полимер-углеродных нанокомпозитов и органических полупроводниковых полимеров.

Докладчик: Колесников Владимир Александрович

Должность: ректор, профессор, доктор технических наук

Цель проекта:
1. На сегодняшний день наиболее доступным способом преобразования солнечной энергии в электрическую является использование фотовольтаической батареи (ячейки). Основным материалом для фотоэлектрических систем является кремний. Производство кремниевых солнечных батарей составляет более 90 % от общего объёма фотоэнергетического производства. На данном этапе развития индустрии производства кремния ощущается нехватка материала высокой степени чистоты для повсеместного внедрения технологии, так как общая масса получаемого кремния не превышает 20 тыс. тонн в год. Также, сдерживающим фактором является высокая энергозатратность этого процесса. Очевидно, существует необходимость в поиске материалов экономически выгодного и экологического производства, а также имеющих такие механические свойства, как гибкость и эластичность. В связи с этим органическая фотовольтаика в сочетании с применением наноматериалов, технология преобразования солнечного света в электричество путем применения тонких пленок органических полупроводников с нанесением углеродных функционализированных наноструктур, стала предметом активных исследований и повышенного внимания в промышленном секторе. Особый интерес представляют полупроводниковые органические полимеры в сочетании с углеродными функционализированными наноструктурами и полимер-углеродные нанокомпозиты, являющимися наиболее перспективными веществами для разработки солнечных батарей нового поколения: - уникальные механические свойства полимерных веществ, позволяющие создать гибкие, прочные и одновременно высокопластичные материалы для создания солнечных батарей практически неограниченных размеров; - возможность повышения удельной поверхности за счет углеродных функционализированных наноструктур до аномально высоких значений; - низкая цена материалов по сравнению с неорганическими полупроводниками при массовом химическом производстве; - возможность современной химической науки и технологии синтезировать и производить полимеры с необычайно широким набором характеристик, в том числе и фотовольтаических параметров; - высокая экологичность производства органических полупроводниковых полимеров методами современной химии полимеров по сравнению с производством неорганических полупроводников. Уникальные свойства органических полупроводников в сочетании с углеродными функционализированными наноструктурами и полимер-углеродными нанокомпозитами представляют большой интерес для проведения исследований фотоэлектрических преобразователей: с p-n-переходом, с гетеропереходом органический-органический полупроводник и самый новый фотоприемник с гетеропереходом органический-неорганический полупроводник. Известно, что на основе только двух органических полупроводников высокую эффективность фотоприемника не получить. В этой связи разработка способа получения фотоприемника с гетеропереходом органический -неорганический полупроводник с применением углеродных наноструктур и полимер-углеродных нанокомпозитов, исследование его фотоэлектрических возможностей представляют большой интерес, при этом открывая широкие перспективы для применения в органической микро- и наноэлектронике. Кроме того, на основе высокочувствительных фотоприемников предоставляется возможность разработки конструкции и изготовления измерителей интенсивности излучения, позволяющих проводить измерения интенсивности излучения в ультрафиолетовой (УФ), видимой и в ближней инфракрасной (ИК) областях. Ввиду высокой фоточувствительности и низкой стоимости углеродных наноматериалов и полупроводников органического природы такой прибор найдет широкое применение в медицине, в экологии и сельском хозяйстве. Задачами работы являются: - разработка научно-методических основ создания нового поколения солнечных батарей за счет применения углеродных функционализированных наноструктур, полимер-углеродных нанокомпозитов и органических полупроводниковых полимеров с повышенными энергетическими и мощностными характеристиками и низкой стоимостью, для эффективного преобразования солнечного излучения в электрическую энергию; - разработка методов и оптимизация сочетания углеродных функционализированных наноструктур, полимер-углеродных нанокомпозитов и органических полупроводниковых полимеров для высокоэффективных преобразователей солнечного излучения в электрическую энергию; -разработка конструкции и изготовление солнечных ячеек на основе органических полупроводников и их композиций с различными акцепторными примесями при помощи центрифужного метода нанесения тонких полупроводниковых пленок; - разработка, изготовление и испытание высокоэффективных фоточувствительных элементов с использованием углеродных функционализированных наноструктур, полимер-углеродных нанокомпзитов и органических полупроводниковых полимеров; - разработка рекомендаций по применению композиций углеродных функционализированных наноструктур, полимер-углеродных нанокомпозитов и органических полупроводниковых полимеров в высокоэффективных преобразователях солнечного излучения в электрическую энергию 2. Целью работы является создание технологии получения нового класса солнечных батарей на органической основе, включая гибридные солнечные батареи, сенсибилизированные красителем, полимерные солнечные батареи с акцепторами на основе фуллеренов и полностью полимерные солнечные батареи с использованием углеродных функционализированных наноструктур и полимер-углеродных нанокомпозитов с аномально высокой удельной поверхностью для создания высокоэффективных энергоустановок на возобновляемых источниках энергии с ценой 1 кВт электрической мощности на 50% ниже существующих аналогов.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Экспериментальные методы, разработанные в ходе выполнения работы будут использованы для проведения фундаментальных и прикладных исследований, проводимых с целью оптимизации структуры углеродных функционализированных наноструктур, полимер-углеродных нанокомпозитов и органических полупроводниковых полимеров, а также архитектуры фоточувствительных элементов, в частности для их использования в качестве источников питания микроэлектронных устройств.
2. Органические солнечные батареи на основе углеродных функционализированных наноструктур, полимер-углеродных нанокомпозитов и органических полупроводниковых полимеров на несколько порядков дешевле неорганических аналогов в производстве и обладают рядом неоспоримых преимуществ:
возможность ленточной печати, механические свойства, включающие в себя гибкость, эластичность, в сочетании с возможностью создания ультратонких субмикронных плёнок. Наличие фотопроводимости в органических полупроводниках и получение материалов с большим спектром поглощения открыли широкие перспективы в создании солнечных батарей на основе органических и наноулеродных полупроводниковых материалов.
Органические полупроводники на несколько порядков дешевле неорганических в производстве и обладают рядом неоспоримых преимуществ: дешевизна производства (возможность ленточной печати), механические свойства, которые включают в себя гибкость, эластичность, в сочетании с возможностью создания ультратонких субмикронных плёнок. Поэтому стало возможным получение электропроводящего материала с механическими свойствами пластика. Наличие фотопроводимости в органических полупроводниках и получение материалов с большим спектром поглощения открыли гигантские перспективы в создании солнечных батарей и исследований в направлении солнечной энергетики. Однако наряду с достигнутыми результатами и достаточно ясными перспективами необходимо отметить, что прогресс в этой области происходит весьма медленно, а достижения относятся главным образом к частным успехам применения тех или иных разработанных химиками полимеров и не относятся к области в целом. Дело в том, существует ряд вопросов, связанных с фундаментальным пониманием функционирования органических фотопреобразующих процессов в полимерах, которые практически не изучены. В отличие от неорганической фотовольтаики, которая опирается на мощную зонную теорию полупроводников в органической фотовольтаике такой общей теории не создано, а механизмы образования свободных носителей заряда под воздействием света исследованы очень слабо. Химия полимеров достигла значительных успехов в создании новых полимерных молекул и во многих случаях может быть достигнута задаваемая структура молекулы. Однако, надмолекулярная структура полимеров, определяющая ряд основных физических свойств полимерных пленок, остается мало исследованной. Исследованные к настоящему времени фотовольтаические эффекты показали наличие многочисленных промежуточных частиц, участвующих в процессах фотопроводимости флуоресценции в органических полупроводниках.
Механизмы образования и расходования этих частиц практически не исследованы, также как и процессы транспорта зарядов. Кроме этих фундаментальных проблем органической фотовольтаики, необходимо отметить следующие практические проблемы создания эффективных фотовольтаических ячеек:
- спектр падающего света поглощается тонким слоем полимера не полностью;
- часть падающего света отражается от поверхности полупроводника;
- не все поглощенные фотоны рождают экситоны;
- не все носители заряда, генерированные фотонами, разделяются полем p-n перехода, часть из них
рекомбинируют на поверхности или в объеме;
- существуют омические потери преобразованной мощности при прохождении тока через неактивные области фотоприемника: на металлических контактах, на границах металл–полупроводник.
3. Результатом реализации работы получение нового класса солнечных батарей на органической основе, включая гибридные солнечные батареи, сенсибилизированные красителем, полимерные солнечные батареи с акцепторами на основе фуллеренов и полностью полимерные солнечные батареи с использованием углеродных функционализированных наноструктур и полимер-углеродных нанокомпозитов с аномально высокой удельной поверхностью для создания высокоэффективных энергоустановок на возобновляемых источниках энергии с ценой 1 кВт электрической мощности на 50% ниже существующих аналогов.
4. Основным материалом для фотоэлектрических систем является кремний. Производство кремниевых солнечных батарей составляет более 90 % от общего объёма фотоэнергетического производства.
На данном этапе развития индустрии производства кремния ощущается нехватка материала высокой степени чистоты для повсеместного внедрения технологии, так как общая масса получаемого кремния не превышает 20 тыс. тонн в год. Также, сдерживающим фактором является высокая энергозатратность этого процесса. Работы, определяющий мировой уровень исследований по данному направлению:
1. C. H. Hsiao, S. W. Liu, C. T. Chen, and J. H. Lee, “Emitting layer thickness dependence of color stability in
phosphorescent organic light-emitting devices,” Organic Electronics, vol. 11, no. 9, pp. 1500–1506, 2010. Impact
Factor: 3,836. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1566119910001965. DOI:10.1155/2012/581421
2. E. Orgiu, N. Crivillers, M. Herder, L. Grubert, M, Pätzel, J. Frisch, E. Pavlica, D. T. Duong, G. Bratina, A.
Salleo, N. Koch, S. Hecht, P. Samorì. Optically switchable transistor via energy-level phototuning in a
bicomponent organic semiconductor, Nature Chemistry/4, 675–679, 2012. Impact Factor: 4, 675. http://
www.nature.com/nchem/journal/v4/n8/full/nchem.1384.html DOI:10.1038/nchem.1384.
3. M. C. Gather, A. Köhnen, and K. Meerholz, “White organic light-emitting diodes,” Advanced Materials, vol. 23,
no. 2, pp. 233–248, 2011. Impact Factor: 13.877. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201002636/
abstract.DOI:10.1002/adma.201002636
4. Kabanov D.B., Rusin L.Y. Detailed dynamics of three-body recombination of ions in central collisions.
Chemical Physics. 2012. Т. 392. № 1. С. 149-159. Impact Factor: 3,164. http://www.sciencedirect.com/science/
article/pii/S030101041100499X. DOI: 10.1016/j.chemphys.2011.11.009
5. C. Y.H. Chan, C. M. Chow, and S. K. So, “Using transistor technique to study the effects of transition metal
oxide dopants on organic charge transporters,” Organic Electronics, vol. 12, no. 8, pp. 1454–1458, 2011. Impact
Factor: 3,836 http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1566119911001832. DOI: 10.1016/j.orgel.
2011.04.023
6. Li Li Zhang, Xin Zhao, Meryl D Stoller, Yanwu Zhu, Hengxing Ji, Shanthi Murali, Yaping Wu, Stephen
Perales, Brandon Clevenger, Rodney S Ruoff Highly conductive and porous activated reduced graphene oxide
films for high-power supercapacitors. Department of Mechanical Engineering and the Materials Science and
Engineering Program, The University of Texas at Austin, One University Station C2200, Austin, Texas 78712,
USA. Nano Letters (Impact Factor: 13.03). 02/2012; 12(4):1806-12.DOI:10.1021/nl203903z http://
www.researchgate.net/publication/
221868654_Highly_conductive_and_porous_activated_reduced_graphene_oxide_films_for_highpower_
supercapacitors.
соответствуют тематике проекта.
5. Для доведения результатов ПНИ до потребителя необходимы публикация результатов работы в ведущих научно-технических журналах, выступления на международных конференциях, а также установление рабочих контактов с заинтересованными предприятиями, выявленными на этапах маркетинговых исследований.
В ходе исследования будут:
1) проведены патентные исследования и определены области правовой охраны разрабатываемых
технических и технологических решений по созданию высокоэффективных фоточувствительных
элементов с использованием углеродных функционализированных наноструктур, полимер-углеродных нанокомпозитов и органических полупроводниковых полимеров;
2) проведены теоретические исследования и установлены физико-химические закономерности
функционирования высокоэффективных фоточувствительных элементов с использованием углеродных функционализированных наноструктур, полимер-углеродных нанокомпозитов и органических полупроводниковых полимеров;
3) разработано программно-методическое обеспечение и методики получения высокоэффективных фоточувствительных элементов с использованием углеродных функционализированных наноструктур,
полимер-углеродных нанокомпозитов и органических полупроводниковых полимеров;
4) Разработаны и изготовлены экспериментальные образцы батарей, составленных из высокоэффективных фоточувствительных элементов с использованием углеродных функционализированных наноструктур, полимер-углеродных нанокомпозитов и органических полупроводниковых полимеров;
5) Разработаны рекомендации по применению композиций углеродных функционализированных наноструктур, полимер-углеродных нанокомпозитов и органических полупроводниковых полимеров в высокоэффективных преобразователях солнечного излучения в электрическую энергию для стационарных и мобильных энергоустановок, а также в системах распределенной энергетики.
Применение разрабатываемых технических и технологических решений позволит:
- сформировать опережающий научно-технологический задел в сфере солнечной энергетики, а именно по высокоэффективным фоточувствительным элементам с использованием углеродных
функционализированных наноструктур, полимер-углеродных нанокомпозитов и органических
полупроводниковых полимеров;
- разработать новые типы архитектуры фоточувствительных элементов;
- обеспечить возможность широкого внедрения панелей солнечных батарей в портативных устройствах и на объектах городской инфраструктуры.
Для доведения результатов до потребителя необходимы публикация результатов работы в ведущих научно-технических журналах, выступления на международных конференциях, а также установление рабочих контактов с заинтересованными предприятиями, выявленными на этапах маркетинговых исследований.
Теоретические и экспериментальные результаты должны благоприятно способствовать накоплению знаний по данной проблематики до "критической массы" являющейся плодородной почвой к прорывному научно-техническому прогрессу в области рационального использования солнечной энергии при создании экологически чистых энергоустановок для малой распределенной энергетики. При этом главной проблемой является создание углеродных функционализированных наноструктур, полимер-углеродных нанокомпозитов и органических полупроводниковых полимеров для эффективного преобразования солнечной энергии в электрическую в устройствах, имеющих приемлемые для коммерческого использования массо-габаритные параметры и цену.
Оптимизация процессов и параметров технологического оборудования, изучение фундаментальных и прикладных основ, позволит планомерно, а значит более эффективно подготавливать высокопрофессиональные технологические кадры, имеющие опыт работы с уникальными комплексами уже на стадии обучения, что в будущем облегчит их трудоустройство в крупные технологический и инжиниринговые компании, промышленных предприятиях, объектах энергетики и др., в конечном счёт повысит конкурентоспособность выпускников, имидж ВУЗа; наличие уникальных экспериментальных данных, установок, новых материалов будет способствовать улучшению качества публикуемых материалов, количества защищаемых диссертационных работ и повышению места университета в мировых рейтингах.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Органические солнечные батареи на основе углеродных функционализированных наноструктур, полимер-углеродных нанокомпозитов и органических полупроводниковых полимеров на несколько порядков дешевле неорганических аналогов в производстве и обладают рядом неоспоримых преимуществ:
возможность ленточной печати, механические свойства, включающие в себя гибкость, эластичность, в сочетании с возможностью создания ультратонких субмикронных плёнок. Наличие фотопроводимости в органических полупроводниках и получение материалов с большим спектром поглощения открыли широкие перспективы в создании солнечных батарей на основе органических и наноулеродных полупроводниковых материалов.
Органические полупроводники на несколько порядков дешевле неорганических в производстве и обладают рядом неоспоримых преимуществ: дешевизна производства (возможность ленточной печати), механические свойства, которые включают в себя гибкость, эластичность, в сочетании с возможностью создания ультратонких субмикронных плёнок. Поэтому стало возможным получение электропроводящего материала с механическими свойствами пластика. Наличие фотопроводимости в органических полупроводниках и получение материалов с большим спектром поглощения открыли гигантские перспективы в создании солнечных батарей и исследований в направлении солнечной энергетики.
Однако наряду с достигнутыми результатами и достаточно ясными перспективами необходимо отметить, что прогресс в этой области происходит весьма медленно, а достижения относятся главным образом к частным успехам применения тех или иных разработанных химиками полимеров и не относятся к области в целом. Дело в том, существует ряд вопросов, связанных с фундаментальным пониманием функционирования органических фотопреобразующих процессов в полимерах, которые практически не изучены. В отличие от неорганической фотовольтаики, которая опирается на мощную зонную теорию полупроводников в органической фотовольтаике такой общей теории не создано, а механизмы образования свободных носителей заряда под воздействием света исследованы очень слабо. Химия полимеров достигла значительных успехов в создании новых полимерных молекул и во многих случаях может быть достигнута задаваемая структура молекулы. Однако, надмолекулярная структура полимеров, определяющая ряд основных физических свойств полимерных пленок, остается мало исследованной. Исследованные к настоящему времени фотовольтаические эффекты показали наличие многочисленных промежуточных частиц, участвующих в процессах фотопроводимости флуоресценции в органических полупроводниках.
Области применения экология, медицина, энергетика, авиастроение, судостроение, космонавтика.
2. Ожидаемые социально-экономические последствия в сфере науки и образования неразрывно связаны с теми инновациями, на развитие которых нацелена деятельность университета. Прежде всего, это исследования, направленные на получение новых материалов, химических продуктов, веществ с необычными и ценными свойствами, а также технологии и оборудование с ними связанные. Эти вещества и материалы востребованы самыми разными отраслями экономики - от энергетики до автомобильного транспорта. Весьма велик экспортный потенциал проводимых исследований.
3. Перспективным является разработка органических солнечных батарей для использования системах распределённой энергетики мощностью от сотен кВт до нескольких МВт на основе автономных стационарных энергоустановок и интегрированных энергоустановок на базе возобновляемых источников энергии, в том числе с водородным циклом.
Расширение источников (в том числе возобновляемых) энергии, эффективное и экономически выгодное преобразование различных видов энергии весьма актуально многих других отраслях промышленности.
Создание научной и экспериментальной базы, получения экспериментальных зависимостей, их анализ и обзор способа безболезненной интеграции в имеющиеся технологию на данном этапе проекта (2014 – 2016 г.г.) будет плодотворно способствовать формированию научно-технического задела в области химии и технологии углеродных функционализированных наноструктур, полимер-углеродных нанокомпозитов и органических полупроводниковых полимеров для дальнейшего выполнения работ по углублению знаний в данной тематике.
После 3 лет работы будут сформулированы основные научно-технические требования для работы по классификации ОКР по теме: «Разработка и создание опытного образца автономной энергоустановки с повышенной эффективностью на основе нового поколения солнечных батарей с использованием углеродных функционализированных наноструктур, полимер-углеродных нанокомпозитов и органических полупроводниковых полимеров» на следующие 3 года действия программы (2017-2019 г.г.), с целью внедрения новых технологий и оборудования, для повышения обеспеченности ресурсами необходимыми для успешного развития и безопасности страны.

Текущие результаты проекта:
Начаты работы по: составлению аналитического обзора современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему и проведение патентных исследований.
Начаты работы по выбору и обоснованию направлений исследований, методов и средств создания органических солнечных батарей на основе гомополимеров и блок-сополимеров, содержащих электронные доноры и акцепторы (полимеры, фуллерены, углеродные функционализированные наноструктуры, полимер-углеродные нанокомпозиты, красители), а так же отработке отдельных режимов получения и выбор оптимального состава фоточувствительного композиционного материала с использованием углеродных функционализированных наноструктур, полимер-углеродных нанокомпозитов и органических полупроводниковых полимеров.
Начата подготовка заявки на охранный документ и закупка необходимого контрольно-измерительного оборудования для изготовления образцов наноструктур и нанокомпозитов.
Коллектив РХТУ им. Д.И. Менделеева, реализующий проект имеет большой опыт создания углеродных функционализированных наноструктур, полимер-углеродных нанокомпозитов и органических полупроводниковых полимеров, обладает значительным опытом теоретических и экспериментальных работ в области фоточувствительных материалов, кроме того коллективом были построены экспериментальные установки для исследования фототоков и флуоресцентных процессов в органических полупроводниках, разработаны методы исследования магнитных эффектов, позволяющих определить роль квантовых спиновых состояний экситонов и поляронов в образовании свободных носителей зарядов. Предложены и успешно реализуются экспериментальные методы измерения величины и знака магнитных эффектов.
Одной из последних разработок является компьютерная модель гетероструктуры солнечного элемента на основе органического полупроводника, а так же методика формирования органической полупроводниковой ячейки и нанесения углеродных фунционализированных наноматериалов.
В ходе выполнения федеральных программ научно-образовательным центром, созданным на базе РХТУ им. Д.И. Менделеева и института физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН, исследуются кинетика и механизмы электрохимических процессов в каталитически активных функционализрованных углеродных наноструктур, направленных на создание фотовольтаических ячеек.
Создается экспериментальный образец установки непрерывного действия для получения углеродных наноструктур из углеводородного сырья. Разрабатываются методики синтеза различных углеродных наноструктур и полимер-углеродных нанокомпозитов, методики приготовления различных наносистем «углеродные наноструктуры – полимер-углеродные нанокомпозиты», лабораторное оборудование для синтеза углеродных наноструктур и приготовления наносистем «углеродные наноструктуры – полимер-углеродные нанокомпозиты».
Задействованы имеющиеся методики контроля параметров и соответствующее оборудование для электронной микроскопии, Рамановской спектрометрии, определения удельной площади поверхности ВЕТ-методом, определения электропроводности и удельного электрического сопротивления четырехконтактным методом, импедансометрии в трехэлектродной ячейке и т.п.
Задействованозначительное количество высококвалифицированных научных кадров.
Задействована система менеджмента качества РХТУ им.Д.И. Менделеева, направленная на выполнение требований и ожиданий потребителей к качеству образовательных услуг и предусматривающая интеграцию новых информационных технологий с управленческими механизмами деятельности университета, а также совершенствование внутри вузовской системы оценки качества обучения и организации учебного процесса. В системе менеджмента качества интегрированы все видыучебной, научной, финансовой и управленческой деятельности университета.
Составными частями системы являются:
- развитие факультета довузовской подготовки абитуриентов, Учебного комплекса, очных идистанционных подготовительных курсов, проведение предметных олимпиад и профессиональных конкурсов, а также информационно-рекламную деятельность;
- непрерывно совершенствуемый процесс «Обучение», критериями успешности которого является применение инновационных методов обучения на базе современных информационных педагогических технологий, а также своевременная разработка, утверждение и непрерывное совершенствование документов по его организации и контролю;
- процесс «Научная работа», включающий совершенствование планирования и реализации научных исследований, в том числе в рамках инновационных образовательных программ по приоритетным научным направлениям.