Руководитель проекта – Уразов Кажмухан Аманкелдиевич, ведущий научный сотрудник, PhD, k.urazov@ifce.kz
Цель проекта – Разработка технологии получения новых функциональных материалов для гибридного солнечного элемента на основе проводящих полимеров в комбинации с халькогенидами меди, цинка, олова (Cu2ZnSnS4, Cu2ZnSnSе4) и исследование физико-химических и оптических свойств полученных материалов. Изготовление опытного образца фотоэлемента.
Актуальность: Проект посвящен разработке технологии получения тонкопленочных полупроводниковых материалов, представляющих собой тонкий слой проводящего полимера в комбинации с тонкопленочным неорганическим полупроводником, для создания гибридного фотоэлемента и эффективного преобразования солнечной энергии в электрическую.
ожидаемые и достигнутые результаты:
– ожидаемые результаты за 2020 год
Будет разработан способ изготовления полимерного слоя элемента, обладающего способностью эффективно передавать заряды к внешнему электроду и уменьшать потери, связанные с разделением зарядов, возникающих под действием солнечного излучения. Будет разработана технология получения тонких пленок проводящих полимеров – полианилин (PANI) и поли-(3,4-этилендиокситиофен): поли-(стирол сульфонат) (PEDOT:PSS) с использованием электрохимического способа синтеза и метода центрифугирования. Будут изготовлены тонкие пленки полимеров с толщиной не более 100 нм, достаточной для обеспечения улучшенной транспортировки зарядов к электроду. Изучены морфология и параметры шероховатости поверхности полимерного слоя с помощью атомно-силовой микроскопии и проведены фотоэлектрохимические измерения в сульфатных растворах.
Будет разработан способ получения тонкопленочного полимерного слоя и выполнено осаждение полимера на стеклянные проводящие подложки. Будут разработаны методы и даны технические рекомендации по электрохимическиму способу полимеризации. Будут получены образцы полимеров PANI и PEDOT:PSS. Разработана технология их применения на стеклянных проводящих подложках.
Будет исследована морфология поверхности полимерного слоя и определены его электрофизические свойства. С помощью электронной и атомно-силовой микроскопии будет исследована морфология поверхности и параметры шероховатости полимерного слоя, а также подтверждена толщина пленок. Будет определены электрофизические параметры.
– достигнутые результаты за 2020 год
Разработана способ изготовления полимерного слоя элемента, обладающего способностью эффективно передавать заряды к внешнему электроду и уменьшать потери, связанные с разделением зарядов, возникающих под действием солнечного излучения. Разработана технология получения тонких пленок проводящих полимеров – полианилин (PANI) и поли-(3,4-этилендиокситиофен): поли-(стирол сульфонат) (PEDOT:PSS) с использованием электрохимического способа синтеза и метода центрифугирования. Изготовлены тонкие пленки полимеров с толщиной не более 100 нм, достаточной для обеспечения улучшенной транспортировки зарядов к электроду. Изучены морфология и параметры шероховатости поверхности полимерного слоя с помощью атомно-силовой микроскопии и проведены фотоэлектрохимические измерения в сульфатных растворах.
Разработан способ получения тонкопленочного полимерного слоя и выполнено осаждение полимера на стеклянные проводящие подложки. Разработаны методы и даны технические рекомендации по электрохимическиму способу полимеризации. Получены образцы полимеров PANI и PEDOT:PSS. Разработана технология их применения на стеклянных проводящих подложках.
Исследована морфология поверхности полимерного слоя и определены его электрофизические свойства. С помощью электронной и атомно-силовой микроскопии исследована морфология поверхности и параметры шероховатости полимерного слоя, а также подтверждена толщина пленок. Определены электрофизические параметры.
– ожидаемые результаты за 2021 год
Будет разработана технология изготов-ления тонкопленочных покрытий на основе многокомпонентных халькогенидов, совместимых с полимерным слоем. Будут разработаны одностадийные электрохими-ческие способы нанесения тонких пленок соединений халькогенидов Cu2ZnSnS4 и Cu2ZnSnSе4 на полимерное покрытие. Будет выполнены физико-химические исследования полученных материалов и определены их оптические свойства. Будут определены оптимальные параметры технологического цикла изготовления новых материалов для улучшения их электронных свойств. Будет опубликована 1 статья в рецензируемом зарубежном издании, индексируемом международными базами данных Web of Science, входящее в 1 (первый), либо 2 (второй), либо 3 (третий) квартили и (или) имеющих процентиль по Cite Score в базе Scopus не менее 35, а также 1 статья в отечественном издании с ненулевым импакт-фактором (рекомендованном ККСОН).
С использованием метода электроосаждения будет разработан одностадийный способ синтеза тонких пленок многокомпонентного соединения халькогенида Cu2ZnSnS4 на стеклянных проводящих подложках, покрытых тонким слоем полимера. Будет разработан одностадийный электрохимический метод осаждения многокомпонентного соединения из цитратных электролитов. Подобраны оптимальные условия для электроосаждения халькогенидов на поверхность полимерного слоя.
Будет разработан одностадийный способ электрохимического синтеза тонких пленок многокомпонентного соединения халькогенида Cu2ZnSnSе4 на стеклянных проводящих подложках, покрытых тонким слоем полимера. Будет исследован фазовый состав и структуру полученных пленок халькогенидов и изучена морфология поверхности. Будет проведены фотоэлектрохимические измерения и определены оптические свойства полученных материалов. Будет разработан электрохимический способ осаждения многокомпонентного соединения халькогенида Cu2ZnSnSе4 на поверхность полимерного слоя. Соответствие стехиометрической формулы будет подтверждаться энергетическим дисперсионным анализом, фазовый состав будет устанавливаться методом рентгеновской дифракции. Электрофизические и оптические свойства материала будут проверены после термообработки в атмосфере аргона.
– достигнутые результаты за 2021 год
Разработана технология изготовления тонкопленочных покрытий на основе многокомпонентных халькогенидов, совместимых с полимерным слоем. Разработаны одностадийные электрохимические способы нанесения тонких пленок соединений халькогенидов Cu2ZnSnS4 и Cu2ZnSnSе4 на полимерное покрытие. Выполнены физико-химические исследования полученных материалов и определены их оптические свойства. Определены оптимальные параметры технологического цикла изготовления новых материалов для улучшения их электронных свойств. Опубликована 1 статья в рецензируемом зарубежном издании, индексируемом международными базами данных Web of Science, входящее в 1 (первый), либо 2 (второй), либо 3 (третий) квартили и (или) имеющих процентиль по Cite Score в базе Scopus не менее 35, в том числе «Journal of Solid State Electrochemistry» (IF-2.531, Q2), «Coatings» (IF-2.330, Q2) а также 1 статья в отечественном издании с ненулевым импакт-фактором (рекомендованном ККСОН).
С использованием метода электроосаждения разработан одностадийный способ синтеза тонких пленок многокомпонентного соединения халькогенида Cu2ZnSnS4 на стеклянных проводящих подложках, покрытых тонким слоем полимера. Разработан одностадийный электрохимический метод осаждения многокомпонентного соединения из цитратных электролитов. Подобраны оптимальные условия для электроосаждения халькогенидов на поверхность полимерного слоя.
Разработан одностадийный способ электрохимического синтеза тонких пленок многокомпонентного соединения халькогенида Cu2ZnSnSе4 на стеклянных проводящих подложках, покрытых тонким слоем полимера. Исследован фазовый состав и структуру полученных пленок халькогенидов и изучена морфология поверхности. Проведены фотоэлектрохимические измерения и определены оптические свойства полученных материалов. Разработан электрохимический способ осаждения многокомпонентного соединения халькогенида Cu2ZnSnSе4 на поверхность полимерного слоя. Соответствие стехиометрической формулы подтвержден энергетическим дисперсионным анализом, фазовый состав установлен методом рентгеновской дифракции. Электрофизические и оптические свойства материала проверены после термообработки в атмосфере аргона.
– ожидаемые результаты за 2022 год
Будет разработана схема гибридного тонкопленочного фотоэлемента, включающего каскад пленочных структур на проводящем стекле. В качестве завершающей структуру элемента пленки будет использовано нанесение слоя фуллерена как материала n-типа для обеспечения p-n перехода в активном слое фотоэлемента. Будут определены вольтамперные характеристики готового элемента. В результате выполнения данной задачи будет изготовлен опытный образец гибридного тонкопленочного фотоэлемента и определена эффективность преобразования солнечного излучения в электрическую энергию. Будет опубликована 1 статья в рецензируемом зарубежном издании, индексируемом международными базами данных Web of Science, входящее в 1 (первый), либо 2 (второй), либо 3 (третий) квартили и (или) имеющих процентиль по Cite Score в базе Scopus не менее 35, а также 1 статья в рецензируемом зарубежном и (или) отечественном издании с ненулевым импакт-фактором (рекомендованных КОКСОН). Будет подана 1 заявка на патент РК на изобретение.
Будет разработан способ нанесения фуллерена для создания проводящего слоя с n-типом проводимости, хорошо сочетающегося с многокомпонентным халькогенидом.
С использованием метода напыления будет нанесен верхний металлический слой (контакт) в качестве внешнего электрода для завершения сбора фотоэлемента и определения вольтамперных характеристик. Будет изготовлен опытный образец гибридного солнечного элемента. Будет определена эффективность преобразования фотоэлемента.
– достигнутые результаты за 2022 год
Разработана схема гибридного тонкопленочного фотоэлемента, включающего каскад пленочных структур на проводящем стекле. В качестве завершающей структуру элемента пленки использовано нанесение слоя фуллерена как материала n-типа для обеспечения p-n перехода в активном слое фотоэлемента. Определены вольтамперные характеристики готового элемента. В результате выполнения данной задачи изготовлен опытный образец гибридного тонкопленочного фотоэлемента и определена эффективность преобразования солнечного излучения в электрическую энергию. Опубликована 1 статья в рецензируемом зарубежном издании, индексируемом международными базами данных Web of Science, входящее в 1 (первый), либо 2 (второй), либо 3 (третий) квартили и (или) имеющих процентиль по Cite Score в базе Scopus не менее 35, а также 1 статья в рецензируемом зарубежном и (или) отечественном издании с ненулевым импакт-фактором (рекомендованных КОКСОН). Подана 1 заявка на патент РК на изобретение.
Разработан способ нанесения фуллерена для создания проводящего слоя с n-типом проводимости, хорошо сочетающегося с многокомпонентным халькогенидом.
С использованием метода напыления нанесен верхний металлический слой (контакт) в качестве внешнего электрода для завершения сбора фотоэлемента и определения вольтамперных характеристик. Изготовлен опытный образец гибридного солнечного элемента. Определена эффективность преобразования фотоэлемента.
Члены исследовательской группы
1. Уразов Кажмухан Аманкелдиевич – Researcher ID – N-7303-2017, Scopus ID – 35241313000, ORCID – 0000-0002-6460-5653
2. Айт Сауык – Researcher ID – AAP-6683-2020, Scopus ID – 57196475062, ORCID – 0000-0001-6166-2604
3. Рахимова Айнур Кайратовна – Researcher ID – AAP-8081-2021, Scopus ID – 57201423716, ORCID – 0000-0002-3681-9232
4. Мырзабеков Бекзат Эсенгалиевич – Researcher ID – AAP-6915-2020, Scopus ID -55830904600, ORCID – 0000-0001-7321-2782
Список публикаций и патентов за 2020-2022 г.
1) Urazov K., Dergacheva M., Tameev A., Gribkova O., Mit’ K. Electrodeposited polyaniline/Cu2ZnSnSе4 heterojunction. Journal of Solid State Electrochemistry. 2021. Vol.25. P.237-245. (IF-2.646, Q2, процентиль – 73). https://doi.org/10.1007/s10008-020-04801-0
2) Уразов К.А., Грибкова О.Л., Тамеев А.Р., Рахимова А.К. Влияние состава комплекса полианилина на фотоэлектрохимические свойства тонких пленок CZTSе. Доклады НАН РК. -2021. -№5. -С.189-197. (Рекомендовано ККСОН) https://doi.org/10.32014/2021.2518-1483.95
3) Рахимова А.К., Айт С., Уразов К.А. Полимерные пленки, полученные методом центрифугирования. Известия НАН РК. Серия химия и технология. -2021. -№4. -С.48-52. (Рекомендовано ККСОН) https://doi.org/10.32014/2021.2518-1491.66
4) Уразов К.А., Айт С., Дергачева М.Б., Гременок В.Ф. Электроосажденные тонкие пленки CZTSе. Объединенная конференция «Электронно-лучевые технологии и рентгеновская оптика в микроэлектронике» КЭЛТ-2021. Черноголовка (Россия), 13-17 сентября 2021г. Тезисы докладов. -2021. С.48-49
5) К.А. Уразов, А.К. Рахимова, С. Айт. Электроосаждение пленок CZTS на слой проводящего полимера. Известия НАН РК. Серия химия и технология. -2022. -№2. -С.159-168. (Рекомендовано ККСОН) https://doi.org/10.32014/2022.2518-1491.111
6) K.A. Urazov, V.I. Yaskevich, B.E. Myrzabekov. Electrochemical Deposition of Cu2ZnSnSе4 Thin Film on Mo- glass Electrode from Tartaric Acid. International Journal of Electrochemical Science. -2022. -№17. Article ID: 220814. (IF- 1.541, JCR Q4, JCI Q3, процентиль – 40). doi: 10.20964/2022.08.03
7) Подана заявка на патент РК на изобретение. Получено положительное решение формальной экспертизы.