ИСТИНА

Проект направлен на создание гибридных органических солнечных элементов (ОСЭ) с применением технологии 2D струйной печати тонких пленок из растворов чернил полимерных, органических и металлорганических композитов. В качестве функциональных материалов будут использованы разработанные авторами электропроводящие полимерные композиты, а также известные фотоактивные органические и полимерные компоненты. Солнечная энергетика становится актуальным направлением развития мировой энергетики в связи остротой проблем экологии и безопасности традиционных источников электроэнергии. В Российской Федерации признана исключительная важность разработок возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В 2013 г. принят ряд правительственных решений (Постановление Правительства Российской Федерации N 449), направленных на ускоренное развитие работ по внедрению ВИЭ в энергетические сети страны. Актуальность разработки солнечных элементов из полимерных и органических чернил обусловлена двумя основными причинами. Первая связана с широкой перспективой создания новых конкурентных материалов для солнечных элементов благодаря возможности направленного синтеза органических и полимерных соединений и формирования полимерных и гибридных композитов с заданными свойствами. Вторая причина связана с перспективой снижения стоимости солнечных элементов, благодаря простой технологии производства: органические и полимерные полупроводники растворимы в воде и обычных органических растворителях, что позволяет наносить их простыми методами 2D печати на основу, в том числе и гибкую. Прорывным направлением в разработке гибридных ОСЭ стало применение в качестве фотоактивного материала металлорганических соединений (например, галогенидов метиламмония свинца, CH3NH3PbCl3) со структурой перовскита. Галогениды свинца и олова c органическими функциональными группами обладают широким спектром поглощения света вплоть до ближнего ИК излучения и большой длиной диффузии свободных носителей заряда (порядка 0,5 - 1 микрон). Благодаря указанным свойствам фотоактивный слой ОСЭ на их основе обеспечит полное поглощение падающего света в широкой полосе спектра. За последние полтора года было показано, что указанные свойства перовскитов позволили резко повысить значение кпд фотопреобразования гибридных ОСЭ до 20%. Важным является то обстоятельство, что слой перовскита может быть сформирован из жидкого раствора. Принципиальный новый ожидаемый результат проекта заключается в создании органических и гибридных солнечных элементов методом 2D печати с сохранением высокой эффективности фотопреобразования ОСЭ. Он будет достигнут за счет создания новых электропроводящих полимерных композитов, исследования механизмов фотогенерации и транспорта носителей заряда в гибридных структурах на основе органических, полимерных, металлорганических полупроводников для достижения максимального фотовольтаического эффекта (в настоящее время электронные и фотонные процессы в микроскопически неоднородных материалах и композитах изучены недостаточно) и разработки технологической цепочки приготовления многослойного солнечного элемента с учетом особенностей метода 2D печати.

The project is aimed at creating organic solar cells (OSC) using the technology of 2D inkjet printing of thin films from solutions of polymeric, organic and organometallic composites. Developed by the authors, conductive polymer composites as well as conventional photoactive organic and polymer components are used as functional materials. Solar energy has become an actual direction of world energy because of environmental problems of safety of traditional energy sources. The Russian Federation has recognized the critical importance of development of renewable energy sources (RES). In 2013, the government adopted a series of decisions aimed at accelerating the development of work on the implementation of RES in the energy network of the country (Resolution of the Government of the Russian Federation N 449). The importance of the development of organic solar cells on the basis of polymer and organic ink is caused by two main reasons. The first reason is connected with wide prospects of creation of new competitive materials for solar cells thanks to possibility of the targeted synthesis of organic and polymeric compounds and formation of polymeric and hybrid composites with predetermined properties. The second reason is connected with the prospect of reducing the cost of solar cells due to the simple production technology: the solubility of organic and polymeric semiconductors in aqua and conventional organic solvents allows one to deposit them using simple 2D printing on a substrate, including flexible one. The breakthrough direction in the development of hybrid OSC has become the use organometallic compounds of a perovskite structure (e.g. methylammonium lead halide, CH3NH3PbCl3). Lead and tin halides with organic functional groups have spread light absorption spectrum up to the near IR range and a diffusion length for charge carriers of the order of one micron. Due to these properties, photoactive layer based on perovskite can provide full absorption of the incident light within the wide absorption band of the material. Over the last 1.5 years, it was shown that these properties of perovskites have dramatically improve the power conversion efficiency of hybrid OSC up to 20%. An important fact is that the perovskite layer may be formed on the substrate from a liquid solution. A crucially new expected result of the project is the preparation of organic and hybrid solar cells by 2D printing with retaining the high power conversion efficiency. It will be achieved through the creation of new conductive polymer composites, study of mechanisms of photogeneration and transport of charge carriers in hybrid structures based on organic, polymeric, organometallic semiconductors to maximize the photovoltaic effect (At present, electronic and photonic processes in microscopically inhomogeneous materials and composites have been poorly investigated) and development of the technological roadmap for the preparation of multilayer solar cell considering the features the method of 2D printing.

В ходе выполнения проекта будет: - разработана методика формирования полимерных нанокомпозитов, включающих наночастицы металла, аллотропного углерода; - созданы новые полимерные нанокомпозиты с дырочной электропроводностью не ниже 0,01 См/см для формирования инжекционных слоев методом 2D печати. - разработан метод формирования фотоактивного гетероперехода из электронодонорного и акцепторного органических и металлорганических материалов по технологии 2D печати; - достигнуто понимание механизмов электрической проводимости, фотогенерации и транспорта носителей заряда в полимерных композитах и в неоднородных гибридных структурах; - изучены процессы переноса заряда между функциональными слоями солнечного элемента, найдены пути повышения эффективности процессов переноса; - всесторонне исследован фотовольтаический эффект в гибридных структурах, приготовленных методом 2D печати, и найдены пути достижения эффективности не ниже 12%; - разработана технологическая цепочка приготовления многослойного солнечного элемента с применением метода 2D печати. Полученные научные знания и технологические разработки будут соответствовать мировому уровню исследований. Освоение технологии 2D печати для приготовления лабораторных образцов солнечных элементов позволит перейти к опытно-конструкторским разработкам и внедрению технологии для масштабного производства ОСЭ. Технология 2D печати ОСЭ будет востребована в первую очередь малым и средним бизнесом благодаря (1) доступным, нетоксичным полимерным композитам, (2) легкости нанесения слоев методом струйной печати с низкой себестоимостью, (3) простоте эксплуатации и утилизации устройств. Это позволит создать новые рабочие места для квалифицированных специалистов.

Члены творческого коллектива имеют большой опыт выполнения научно-исследовательских работ по изучению электронных свойств полимерных материалов и органических композитов, разработкам органических функциональных материалов и приготовлению органических солнечных элементов (ОСЭ). Многие работы были выполнены при поддержке РФФИ и Минобрнауки РФ. Исполнителями проекта были исследованы красители класса краунзамещенного порфирината металла в качестве фотоактивного компонента ОСЭ. В арсенале участников имеются современные методы измерения электрической проводимости и подвижности электронов и дырок в тонкопленочных структурах. Так времяпролетным методом была впервые измерена дрейфовая подвижность носителей заряда в пленках нанокомпозита поли-N-виниликарбазола и одностенных углеродных нанотрубках. Участниками проекта выполнены исследования процессов химического и электрохимического синтеза ПАни в присутствии полиамидосульфокислот различного строения. Впервые показано, что процессы как электрохимического, так и химического матричного синтеза ПАни в присутствии поли (2-акриламидо-2-метил-1-пропансульфоновой кислоты), протекают со скоростью более чем на порядок превышающей скорости аналогичных процессов в присутствии низкомолекулярных кислот. Это ускорение объясняется, очевидно, предварительной ассоциацией анилина на сульфогруппах полимерной кислоты и высокой локальной концентрацией протонов вблизи полимерного остова. Исследовано влияние жесткости полимерного остова молекулы поликислоты на свойства получаемых пленок интерполимерных комплексов. У коллектива имеется опыт разработки и приготовления тонких слоев электропроводящих полимерных композитов методом струйной печати.

Все задачи проекта выполнены. Цели проекта достигнуты. Созданы фотоактивные композитные материалы, которые обладают эффективностью фотогенерации свободных носителей заряда не ниже 20% при возбуждении в видимой полосе солнечного излучения с подвижностью выше 3×10-4 см2/(В×с). Отработаны методики нанесения ФС на основе перовскита CH3NH3PbI3 методами одностадийного и двухстадийного полива раствора и методом струйной печати. Особое внимание было уделено отработке струйной печати слоев перовскита. Подобраны условия печати, сушки, число последовательных слоев, исследованы варианты обработки слоев после печати. Показано, что для ОСЭ с ФС на основе перовскита, нанесенного поливом, и АБС на основе комплекса ПАНИ-ПАМПСК, нанесенного струйной печатью, оптимальным соотношением комплекса ПАНИ-ПАМПСК является 1:1.5. При введении графена в ПАНИ-ПАМПСК наблюдалось небольшое улучшение характеристик ОСЭ (КПД=12.02%) при высокой воспроизводимости результатов между пикселами благодаря равномерности толщины АБС, достигаемой применением метода печати. Этот результат полностью удовлетворяет требованиям ТЗ проекта.