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.

Номер контракта: 14.574.21.0096

Руководитель: Колесников Владимир Александрович

Должность: Заведующий кафдерой Технологии неорганических веществ и электрохимических процессов РХТУ им. Д.И. Менделеева

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
фотоприемник, органические полупроводники, неорганические полупроводники, полимеры, углеродные функционализированные наноструктуры, ролимер-углеродные нанокомпозиты, солнечная батарея, гетероструктура, p-n-переход, фотопреобразователь

Цель проекта:
Задачами ПНИ 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 для стационарных и мобильных энергоустановок, а также в системах распределенной энергетики. Формулировка цели реализуемого проекта. 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:
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.
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 закономерностифункционирования 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.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Активные слои органических солнечных батарей должны быть получены методом центрифугирования и иметь толщину не более 100 нм. Размер доменов доноров и акцепторов в активных слоях органических солнечных батарей не должен превышать 50 нм. Лабораторный макет фотопреобразователя солнечной энергии на основе углеродных функционализированных наноструктур, полимер-углеродных нанокомпозитов и органических полупроводниковых полимеров должен иметь КПД не менее 5%. Толщина полимерных пленок на полупроводниковых подложках должна быть до 250 нм.

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.
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

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разработанные в ходе выполнения ПНИ органические солнечные батареи на основе гомополимеров и блок-сополимеров, содержащих электронные доноры и акцепторы (полимеры, фуллерены, углеродные функционализированные наноструктуры, полимер-углеродные нанокомпозиты, красители) должны предназначаться для использования в составе автономной энергетической установки с повышенной эффективностью.
Разработанные в ходе выполнения ПНИ научно-методические основы технологии получения нового поколения солнечных батарей на органической основе с повышенной эффективностью (технические условия, технологическая карта, лабораторный регламент) должны предназначаться для дальнейшего использования при создании опытного производства органических солнечных батарей.

Текущие результаты проекта:
В ходе выполненных работ на данном этапе работ была создана технологическая и экспериментальная база для исследований, подготовлена конструкторская и техническая документация, а также проведен ряд исследовательских работ в обеспечение разработки Технических условий и Программ и методик испытаний, создан научный задел для проведения дальнейших исследований.
Изготовлен экспериментальный стенд для исследовательских испытаний фоточувствительных элементов. Разработан комплект эскизной конструкторской документации на созданный экспериментальный стенд в составе: сборочный чертеж, чертеж общего вида, габаритный чертеж, схема электрическая принципиальная, схема электрическая соединений, инструкция по эксплуатации.
Разработаны Технические условия на получение органических солнечных батарей на основе гомополимеров и блок-сополимеров, содержащих электронные доноры и акцепторы (полимеры, фуллерены, углеродные функционализированные наноструктуры, полимер- углеродные нанокомпозиты, красители), в которых описан постадийные процесс изготовления устройств с нормировочными параметрами, стандартами, техническими требованиями и методами контроля.
Разработана Программа и методика экспериментальных исследований структуры и фотооптических свойств активных слоев органических солнечных батарей.
Разработана Программа и методика экспериментальных исследований стабильности выходных характеристик.
Проведено исследование оптических свойства нового полимера MULT для потенциального использования в системе P3HT:PCBM. Определены энергетические уровни HOMO/LUMO, -5,64 эВ; -4,12 эВ соответственно, что дает основание сделать оптимистичные прогнозы на работоспособность нового полимера в фотовольтическом устройстве, касательно его акцепторных свойств. Также выявлена отчетливая тенденция в расширении спектра поглощения и сдвигу его пика на величину порядка 30 нм при добавлении 5 % к общей массе системы, что, гипотетически, дает определенный выигрыш в будущем солнечном элементе, так как пик поглощения приближен к максимуму спектра солнечной активности с 500 до 530 нм. Все это делает очень перспективным применение лестничных гетероциклических полимеров для солнечных элементов, принимая во внимание устойчивость к воздействию света, воздуха и влаги, а также термостойкость для органических полимеров в порядках 400°С. Данные их аналогов подвижность носителей зарядов в порядках 0,1 см2/В*с, позволяют считать данные полимеры оптимальные и перспективными для исследований с точки зрения полупроводниковых свойств и технологических преимуществ, в сочетании с синтезом, не требующим низким температур и дорогих катализаторов.
Проведен синтез функционализованных углеродных нанотрубок, диспергирование которых в органических и неорганических растворителях позволяет получать устойчивые дисперсии с однородным распределением частиц. На основе этих дисперсий и полимера PEDOT:PSS получены полимер-углеродные нанокомпозиты.
Изготовлены экспериментальные образцы органических солнечных батарей на основе гомополимеров и блок-сополимеров, содержащих электронные доноры и акцепторы, разработана технологическая карта производства органических солнечных батарей.
Получен научный задел для проведения дальнейших этапов ПНИ