ИСТИНА

Проект направлен на создание новых электропроводящих полимерных композитов для использования в качестве соединительного слоя в тандемных солнечных элементов (ТСЭ). Необходимые электрофизические и оптические свойства новых композитов достигаются благодаря включению в их состав 2D наноструктур графена (окисленного графена) или графеноподобной наноструктуры дисульфида металла (Mo, W). Для достижения цели будут использованы разработанные исполнителями проекта оригинальные методы синтеза полимерных комплексов из электропроводящего полимера (полиэтилендиокситиофен, полианилина) и полисульфокислоты различного строения. Будут изучены различные способы формирования полимерных композитов с 2D наноструктурами, методы нанесения композитных слоев наноразмерной толщины, установлена корреляция между структурой и электрофизическими и оптическими свойствами композитов. Разрабатываемые подходы к формированию соединительного слоя из полимерного комплекса и нового композита будут применены в ТСЭ на основе полимерных и органических фотопроводников, микрокристаллического кремния, что позволит создать прототипы ТСЭ с эффективностью фотопреобразования света в электрическую энергию не менее 12%.

The project aims to create new electrically conductive polymer composites for use as an interconnecting layer in tandem solar cells (TSE). Required electrophysical and optical properties of new composites are achieved due to the incorporation of 2D graphene nanostructures (oxidized graphene) or graphene-like metal disulfide nanostructure (Mo, W) in their composition. To achieve the goal, the original methods of synthesizing polymer complexes from an electrically conductive polymer (polyethylenedioxythiophene, polyaniline) and polysulfonic acids of various structures will be used. Various methods for the formation of polymer composites with 2D nanostructures, methods for depositing composite layers of nanosize thickness, and the correlation between the structure and the electrophysical and optical properties of composites will be studied.

Разрабатываемые подходы к формированию соединительного слоя из полимерного комплекса и нового композита будут применены в ТСЭ на основе полимерных и органических фотопроводников, микрокристаллического кремния, что позволит создать прототипы ТСЭ с эффективностью фотопреобразования света в электрическую энергию не менее 12%.

Участниками проекта впервые было исследовано влияния структуры полимерных сульфокислот на характер электрохимического (РФФИ 12-03-01087) и химического синтеза интерполимерных комплексов полианилина (ПАНИ) (РФФИ 07-03-92176), свойства (электрохимические, спектроэлектрохимические, оптические и электрические) и топологию получаемых слоев. Установлено влияние конформационного состояния в растворе полимерной кислоты с различной молекулярной массой на параметры химического и электрохимического синтеза и свойства получаемых комплексов полианилина с полисульфокислотой (РФФИ 12-03-01087). Впервые было проведено сравнительное исследование механохимического и химического методов получения интерполимерных комплексов ПАНИ с поликислотами различного строения. Показано, что механохимический синтез приводит к интенсификации межцепных взаимодействий, что сказывается на оптических и электрических характеристиках интерполимерных комплексов (РФФИ 12-03-90435). Коллективом была изучена химическая полимеризация ЭДОТ и показано, что на кинетику полимеризации, структуру и электрические свойства комплексов ПЭДОТ, влияет мольное соотношение концентраций окислитель:мономер, а также структура полимерной сульфокислоты. Наибольшую электропроводность имеют комплексы ПЭДОТ, синтезированные в присутствии гибкоцепных поликислот, что коррелирует с интенсивностью поглощения этих комплексов в ближней ИК-области (РФФИ 14-03-01137 и 14-03-90413). Впервые ПЭДОТ был получен методом механохимического синтеза в присутствии полисульфокислот различного строения и проведено сравнение оптических, электрических и магнитных свойств полученных комплексов со свойствами комплексов ПЭДОТ, полученных химическим синтезом. Было показано, что способ получения комплексов и строение полимерных допантов оказывают определяющее влияние на структуру, электропроводность и спектральные свойства синтезированного ПЭДОТ (РФФИ 12-03-90435).

Впервые были созданы нанокомпозиты на основе комплекса ПАНИ-ПАМПСК с 2D графеноподобными наноструктурами дисульфида вольфрама WS2 и дисульфида молиблена MoS2. Методами электронной спектроскопии и рентгеноструктурного анализа показано, что 2D структуры формируются в нанокомпозитах в виде тонких (один или несколько), разупорядоченных слоев. Обнаружено наличие взаимодействия между MoS2 (WS2) и гидрофобной частью молекул ПАМПСК, что приводит к их более равномерному распределению в матрице полимера. Впервые были определены энергетические характеристики композитов ПАНИ с графеном и графеноподобными MoS2, WS2. Методом зондовой Кельвин-микроскопии был исследован нанорельеф работы выхода в нанокомпозитных слоях. Установлено, что графен имеет более высокую работу выхода электрона, чем ПАНИ, поэтому создает в нанокомпозите относительно глубокие электронные состояния. В связи с этим, при использовании композита ПАНИ-ПАМПСК/графен в качестве анодного буферного слоя (транспортного слоя дырок) сбор дырок из фотоактивного слоя и рабочие характеристики солнечных элементов повышаются. 2D наноструктуры MoS2 и WS2 имеют относительно низкую работу выхода электрона, чем комплекс ПАНИ-ПАМПСК, поэтому они способны обеспечить амбиполярную проводимость в нанокомпозите. Впервые была измерена подвижность носителей заряда в нанокомпозите ПАНИ-ПАМПСК с 2D структурами WS2 и MoS2. С повышением их массовой концентрации в нанокомпозите наблюдается смена основного типа носителей заряда (дырок на электроны). Варьирование массового содержания WS2 или MoS2 в нанокомпозите ПАНИ-ПАМПСК было использовано как подход для управления типом основных носителей заряда вместе с их концентрацией и подвижностью. Поскольку отсутствует эмпирическая функциональная связь между содержанием 2D наноструктур и зарядо-транспортными характеристиками нанокомпозита, то экспериментальный выбор оптимального содержания WS2 и MoS2 представляется наиболее эффективным. Характеристики тандемных солнечных элементов, созданных на основе перовскитного (CH3 NH3PbI3) и кремниевого (c-Si) солнечных элементов, были выше (кпд 11,2%), чем у каждого из субэлементов. Таким образом, разработанные нанокомпозиты ПАНИ-ПАМПСК с 2D структурой MoS2 или WS2 способны успешно выполнять функцию соединительного слоя в тандемном элементе.