Регистрация / Вход
Прислать материал

14.604.21.0121

Аннотация скачать
Презентация скачать
Общие сведения
Номер
14.604.21.0121
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова"
Название доклада
Разработка новых материалов и формирование объемной гетерофазной структуры полностью полимерных солнечных батарей.
Докладчик
Иванов Дмитрий
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Создание технологии получения нового класса солнечных батарей на органической основе, полимерные солнечные батареи с акцепторами на основе фуллеренов и полностью полимерные солнечные батареи.
Проект направлен на оптимизацию эффективности солнечных батарей на органической основе, полимерные солнечные батареи с акцепторами на основе фуллеренов. В работе решены основные проблемы, препятствующие увеличению эффективности этих устройств, что делает возможным их промышленное внедрение и обеспечивает конкурентоспособность по сравнению с солнечными батареями на кремниевой основе. Для полимерных солнечных батарей оптимизация основывается на улучшении оптических характеристик, идентификации основных механизмов потерь и на достижении полного контроля над морфологией активного слоя.
Актуальность и новизна исследования
Созданы экспериментальные образцы органических солнечных батарей с эффективностью, сопоставимые с мировыми аналогами. Оптимизация полностью полимерных солнечных батарей основана на улучшении оптических характеристик, идентификации основных механизмов потерь и на достижении полного контроля над морфологией активного слоя. В работе достигнута оптимизация межфазного слоя между донорными и акцепторными компонентами сопряженных полимерных систем на молекулярном уровне, используя блок-сополимеры и полимеры с концевыми функциональными группами. Полученные результаты работы позволят установить взаимосвязь между морфологией активных слоев полностью полимерных солнечных батарей и их функциональными свойствами. На основании этих данных будет оптимизирована технология производства солнечных батарей в качестве альтернативных возобновляемых источников энергии. Достигнутые показатели эффективности устройств сопоставимы с мировыми показателями.
Описание исследования

Разработка программа и методики проведения экспериментальных исследований исследований структуры и фотооптических свойств активных слоев органических солнечных батарей. Соответствие экспериментальных образцов полимерных солнечных батарей техническим характеристикам, указанным в ТЗ, продемонстрировано с помощью методов оптической и атомно-силовой микроскопии, рентгеноструктурного анализа, оптической фотометрии и методов измерения фототока и вольт-амперных характеристик. 

Получение активных слоев гомополимеров и блок-сополимеров, содержащих электронные доноры и акцепторы, проведение экспериментальных исследований структуры и фотооптических свойств активных слоев органических солнечных батарей на основе гомополимеров и блок-сополимеров, содержащих электронные доноры и акцепторы. Использование атомно-силовой микроскопии для определения оптимальной толщины пленок активного слоя, полученных методом спин-коатинга  с последующим отжигом.

Исследование влияния способа приготовления тонких пленок, состоящие из компонентов, которые используются для приготовления полимер-полимерных солнечных батарей, на морфологию пленки с помощью дифракции рентгеновских лучей.

Для проверки стабильности и эффективности работы образцов батарей разработка Программа и методика экспериментальных исследований, включающая в себя фото-электронные, электрические и структурные испытания.

В рамках привлечения средств Индустриального партнера проведение модификации и усовершенствования уникального комплекса для комбинированного in situ рентгеноструктурного анализа одновременно в малых и больших углах дифракции, предназначенного для исследования формирования структуры и текстуры систем мягких сред в объеме и тонких пленках для улучшения качества детекции структурных параметров. В результате были созданы камера для in situ измерений тонких пленок с возможностью контроля температуры и влажности, вакуумная камера для устранения паразитного рассеяния, а также держатель для образцов тонких пленок на различных подложках, предназначенный для исследований в геометрии со скользящим пучком. Кроме того, разработаны методики использования данного оборудования в рамках реализации проекта. 

Результаты исследования

На основании аналитического обзора современной научно-технической, нормативной, методической литературы было подтверждено, что подходы для создания полимерных солнечных батарей, предлагаемые в проекте, являются перспективными и уникальными. По результатам проведенного патентного поиска можно сделать вывод об отсутствии патентной информации о подобных предлагаемому в проекте способах изготовления полимерных солнечных батарей. Было проведено обоснование выбора направления исследований, методов и средств разработки технологий создания нового класса солнечных батарей на органической основе.

Были проведены экспериментальные исследования структуры и фотооптических свойств активных слоев органических солнечных батарей. Программа и  методика испытаний  включает современные методы анализа, необходимые для оценки качества активных слоев солнечных батарей.

Выбран оптимальный состав и способ приготовления солнечных батарей на основе экспериментальных исследований стабильности и эффективности. Проведена сравнительная оценка эффективности и стабильности полученных органических солнечных батарей, показано, что полученные значения эффективности и стабильности сопоставимы с аналогами, имеющими фуллерены в качестве акцепторов.

Были получены экспериментальные образцы органических солнечных батарей с показателями эффективности - 4%. Были получены активные слои органических солнечных батарей методом центрифугирования, толщиной не более 100 нм. Размер доменов доноров и акцепторов в активных слоях органических солнечных батарей не превышает 50 нм. Квантовый выход в системе доноров и акцепторов в активных слоях органических солнечных батарей не менее 50%. Была проведена разработка путей дальнейшей оптимизации устройств, основанных на более тонком контроле химической структуры и нано-морфологии активного слоя.

1. Thermal annealing effect on active layer structure in all-polymer organic solar cells // Denis V. Anokhin, Kirill L. Gerasimov, Anton Kiriy, Dimitri A. Ivanov / Applied Mechanics and Materials (2015) 792, 640-644

2. Designing the topology of ion-channels in the mesophases of amphiphilic wedge-shaped molecules // J. J. Hernandz Rueda, X. Zhu, M. Moeller, Denis V. Anokhin, Dimitri A. Ivanov / Physical Chemistry Chemical Physics (2015) 

3. Tailoring the microstructure and charge transport in conjugated polymers by alkyl side-chain engineering // Sadiara Fall,Laure Biniek, Yaroslav Odarchenko,Grégoire de Tournadre,Patrick Lévêque,Nicolas Leclerc,Olivier Simonetti,Louis Giraudet,Thomas HeiserDenis V. Anokhin, Dimitri A. Ivanov / Journal of Materials Chemistry C (2015)

4. High Conductivity in Molecularly p-Doped Diketopyrrolopyrrole-Based Polymer: The Impact of a High Dopant Strength and Good Structural Order // Yevhen Karpov, Tim Erdmann, Ivan Raguzin, Mahmoud Al-Hussein, Marcus Binner, Uwe Lappan, Manfred Stamm, Gerasimov Kirill L., Tetyana Beryozkina,Vasiliy Bakulev, Anokhin Denis V., Ivanov Dimitri A., Florian Günther, Sibylle Gemming, Gotthard Seifert, Brigitte Voit, Pietro Riccardo Di, Anton Kiriy / Advanced Materials (2016) 

5. Polymerizable wedge-shaped ionic liquid crystals for fabrication of ion-conducting membranes: Impact of the counterion on the phase structure and conductivity // Jaime J. Hernandez Rueda, Heng Zhang, Martin Rosenthal, Martin Möller, Xiaomin Zhu, Denis V. Anokhin, Dimitri A. Ivanov / European Polymer Journal (2016)

Практическая значимость исследования
Новые технологии, разрабатываемые в проекте, позволят сократить издержки производства тонкопленочных фотоэлектрических панелей и повысить эффективность их работы. Ожидается, что производство подобных устройств станет коммерчески выгодным, и они станут конкурентоспособными по сравнению с традиционными устройствами на основе кремния. Развитие данных технологий очень важно в перспективе возрастания доли производства энергии из возобновляемых источников. В дальней перспективе это поможет уменьшить зависимость энергетики России от нефте- и газодобычи. В России интерес к данным исследованиям могут проявить следующие компании: флагман российской наноиндустрии компания НТМДТ (Зеленоград), Plastic Logic (Зеленоград), ЦНИИ "Циклон", который уже выпускает микродисплеи на основе OLED, а также ООО "Хевел" - совместное предприятие Государственной корпорации "Российская корпорация нанотехнологий" (РОСНАНО) и Группы компаний "Ренова". В качестве путей доведения до конечного потребителя разрабатываемой технологии могут применяться следующие способы: продажа или передача патента на технологию предприятию-изготовителю или продажа или предоставление лицензии на производство продукции по разрабатываемой технологии. Также следует проводить освещение разрабатываемой технологии на специализированных конференциях для привлечения внимания потребителя.