В результате коллаборации коллективов ученых из ИОС УрО РАН, НИУ МИЭТ, ИОНХ РАН и ИФХЭ РАН созданы сенсибилизированные красителем солнечные батареи (СКСБ) на основе новых перспективных π-сопряженных органических соединений. Изготавливаемые учеными батареи демонстрируют характеристики, обеспечивающие возможность создания архитектурно-интегрированных фотовольтаических систем (АИФС, Building-Integrated Solar Technology), в которых солнечные батареи выполняют не только функцию дополнительной выработки электроэнергии, но и выступают в качестве дизайнерских элементов внешней защиты от погодных условий, например, в виде фасадов зданий. В дальнейшем из набора таких разноцветных панелей можно сделать витраж или мозаику, которая будет вырабатывать электричество.
Весь трек создания элементов можно условно разбить на три части, которые силами ученых полностью локализованы в России. Начало своей жизни элемент получает в лаборатории гетероциклических соединений ИОС УрО РАН, где под руководством в.н.с., к.х.н. Геннадия Русинова, профессора РАН, д.х.н. Егора Вербицкого и с.н.с., к.х.н. Романа Иргашева синтезируются новые органические красители – основа создаваемых элементов.
«Наш институт ИОС УрО РАН, расположенный в Екатеринбурге, обладает современной научно-технической базой для органического синтеза. Мы целенаправленно получаем красители в каком-то смысле с уникальной (неизвестной ранее) структурой, обеспечивающей определенную совокупность свойств. За счет разработанного комплекса эффективных и надежных подходов в лаборатории осуществляется дизайн, синтез и модификация π-сопряженных конденсированных гетероциклических соединений на основе как донорных, так и акцепторных фрагментов. Кроме того, в лаборатории реализуется создание и других компонентов, необходимых для улучшения работы элемента, например, ионные жидкости, которые используются в электролите», – рассказывает один из участников встречи в МИЭТ, младший научный сотрудник ИОС УрО РАН Александр Степарук.
Далее осуществляется передача синтезированных красителей и материалов в Москву, где на их основе в Институте общей неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук (ИОНХ РАН) под руководством г.н.с., д.х.н. Сергея Козюхина проводится следующий крайне важный этап изготовления, включающий формирование фотоанода и сборку батарей.
«Все применяемые при сборке материалы обладают высокой стабильностью на воздухе. Высокая устойчивость формируемых компонент обеспечивает возможность реализации изготовление батарей в обычных лабораторных условиях. Сборка проводится вне особо чистых помещений и без применения боксов с инертной атмосферой или установок вакуумной техники, что в значительной степени удешевляет технологию и понижает себестоимость солнечного элемента.
Весь процесс сборки настолько «прозрачен», что мы можем фокусно модифицировать функциональные компоненты с целью повышения характеристик батарей или их оптимизации под конкретные задачи. К примеру, за счет вариации материала и структуры фотоанода можно управлять степенью прозрачности и эффективностью батареи, а за счет изменения структуры красителя мы можем изменять цвет элементов, что особенно важно для дизайнерской составляющей процесса создания архитектурно-интегрированных фотовольтаических систем. В настоящий момент нами уже получены батареи нескольких оттенков желтого, оранжевого и красного цветов», – отмечает младший научный сотрудник ИОНХ РАН Екатерина Текшина.
Заключительным этапом изготовления является тестирование и определение рабочих характеристик собранных солнечных элементов в условиях, приближенных к реальным. Данный этап проводится в лабораториях Института перспективных материалов и технологий НИУ МИЭТ под руководством с.н.с., к.т.н. Петра Лазаренко.
«Исключительно важно проводить испытания и определение эксплуатационных характеристик создаваемых солнечных элементов при одних и тех же условиях вне зависимости от времени суток, дня недели или времени года. Во время отработки технологии, когда конструкция батарей или применяемые функциональные материалы подвергаются модификации, испытания проходят серии образцов, которые могут включать до 20 батарей. Таким образом, любое отклонение от условий испытаний может привести к получению недостоверных результатов и, как следствие, принятию коллективом неверных технологических решений.
В связи с этим в лабораториях Института ПМТ мы проводим испытания создаваемых батарей только при строго определенных и воспроизводимых условиях. К примеру, измерение эффективности и выходной электрической мощности осуществляется при искусственно создаваемых в лаборатории стандартных условиях освещенности AM 1.5, что соответствует интенсивности солнечного излучения на поверхности Земле, когда солнце находится под углом 45° к горизонту. В то же время определение влияния структурных фрагментов полученных красителей на квантовую эффективность элементов в том или ином спектральном диапазоне излучении проводится при воздействии монохроматического излучения и при постоянном контроле температуры и влажности. Таким образом, подтверждается пригодность элементов к эксплуатации в реальных метеорологических условиях», – сообщает старший научный сотрудник МИЭТ Петр Лазаренко.
В рамках развития данного направления Национальный исследовательский университет «МИЭТ» и Институт органического синтеза им. И.Я. Постовского Уральского отделения Российской академии наук (ИОС УрО РАН) заключили соглашение о сотрудничестве в области науки и образования. Подписи под документом поставили проректор по научной работе МИЭТ Сергей Гаврилов и директор ИОС УрО РАН Егор Вербицкий.
Главным направлением сотрудничества является объединение усилий сторон в области перехода от традиционных ископаемых источников энергии к альтернативным, создание и исследование новых фотоактивных материалов, а также разработка устройств на их основе.
По результатам совещания, проведенного после подписания соглашения, научным коллективом был определен план дальнейших работ, в частности по интеграции в процесс сборки технологии формирования структурированных фотоактивных полупроводниковых покрытий, создаваемых в Институте ПМТ, а также принято решение по продолжению работ, направленных на увеличение рабочей площади создаваемых батарей. Только за последний год размер функциональной области элементов был увеличен с получаемых ранее научной группой прототипов 6х6 мм2 в 100 раз.
Результаты совместной работы ученых из ИОС УрО РАН, НИУ МИЭТ, ИОНХ РАН и ИФХЭ РАН уже представлены в виде серии научных статей, последняя из которых была опубликована в журнале Journal of Materials Science: Materials in Electronics.
Исследования выполнены при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ, №18-13-00409). В НИУ МИЭТ работа по данному направлению ведется в рамках государственной программы Минобрнауки «Приоритет-2030».
