Группа новых материалов для солнечной энергетики
Руководитель: к.х.н. Тарасов А.Б., научный консультант д.х.н. Гудилин Е.А.
Коллектив группы (декабрь 2017 года).
Местоположение: к.552 (Химический факультет МГУ), +7 (495) 939 – 57 – 42, alexey.bor.tarasov @ gmail.com
Сотрудники и студенты: аспиранты: Белич Николай Андреевич (асп. 1 г/о), Гришко Алексей Юрьевич (асп. 1 г/о), Петров Андрей Андреевич (асп. 1 г/о), Фатеев Сергей Анатольевич (асп. 1 г/о), Шлёнская Наталья Николаевна (асп. 2 г/о); магистранты: Соколова Юлия Павловна (маг 2 г/о), Жарёнова Елена Александровна (маг. 1 г/о), Руднев Павел Олегович (маг 1 г/о), Федотов Илья Константинович (маг. 1 г/о); студенты бакалавры: Моськин Артем Вячеславович (бак. 1 г/о); Решетников Виктор Петрович (бак. 1 г/о), Степанов Никита Михайлович (бак. 2 г/о), Судаков Александр Андреевич (бак. 1 г/о), Тутанцев Андрей Сергеевич (бак. 3 г/о), Финкельберг Яша Михайлович (бак. 2 г/о)
Основные направления исследований:
Группа занимается разработкой материалов для солнечной энергетики – фотоактивных материалов на основе TiO2, перовскитных солнечных элементов и светоизлучающих устройств на основе гибридных органо-неорганических перовскитоподобных материалов.
Современный интерес к высокотехнологичным применениям TiO2 начался с 1972 года, когда впервые была продемонстрирована возможность использовать диоксид титана для в качестве покрытия полупроводникового электрода для получения водорода методом электрохимического фотолиза воды. Вскоре внимание исследователей привлекла способность диоксида титана под действием света окислять органические соединения под действием света. Данное открытие вызвало высокий научный и практический интерес, поскольку открыло возможность создания на основе TiO2 технологий промышленной очистки воды и воздуха от загрязнений с использованием солнечного излучения.
В 2009 году поиск новых неорганических соединений, способных заменить красители в солнечных элементах Гретцелевского типа привел к обнаружению уникального семейства твердотельных светопоглощающих материалов, представляющих собой гибридные органо-неорганические соединения со структурой перовскита, неорганический каркас которых состоит из октаэдров содержащих галогенидные анионы с катионом свинца или олова в центре. Солнечные элементы, светопоглощающим материалом в которых выступают соединения со структурой перовскита AMX3, где A = CH3NH3, CH3CH2NH3, (NH2)2CH; M = Sn, Pb; X = Cl, Br, I, в настоящий момент являются одними из наиболее интенсивно исследуемых типов фотоэлектрических устройств. С момента открытия в 2009 году, КПД преобразования солнечной энергии перовскитными солнечными элементами выросла с 3% в 2009 году до 22% в 2016 году, что вместе низкой стоимостью их производства делает этот тип солнечных батарей наиболее перспективным и конкурентоспособным из существующих на сегодняшний день.
К основным направлениям исследований группы относятся:
- Повышение эффективности перовскитных солнечных элементов путем наноструктурирования и функционализации светопоглощающего слоя;
- Развитие перовскитных солнечных элементов с мезопористой архитектурой посредством рационализации геометрии электрон-проводящего слоя и решения проблемы плотного заполнения пор
Поиск эффективных неорганических материалов для использования в качестве дырочно-проводящего слоя перовскитных солнечных элементов;
- Разработка подходов к масштабированию лабораторных методик получения перовскитных солнечных элементов с применением стандартных индустриальных подходов;
- Исследование механизмов деградации перовскитных солнечных элементов и разработка подходов по повышению эксплуатационной стабильности данных устройств;
- Разработка новых светопоглощающих компонентов твердотельных солнечных элементов посредством поиска новых материалов с альтернативными структурой и составом, а также модификации традиционных перовскитных материалов;
- Исследование физико-химических свойств и оптимизация совместимости компонентов твердотельных солнечных элементов;
- Изучение механизмов кристаллизации перовскита из растворов и их влияния на морфологию и свойства перовскитных плёнок;
- Разработка светоизлучающих устройства на основе органо-неорганических галогенидов свинца и олова со структурой перовскита;
- Разработка новых методов получения материалов на основе фотоактивного диоксида титана с заданными морфологией, фазовым составом и функциональными свойствами.
Схема механизма фотохимической деградации перовскитоподобного соединения CH3NH3PbI3 с сопутствующей химической деградацией золотого электрода в составе солнечного элемента. Результат исследования демонстрирует необходимость замены традиционно используемых в перовскитных солнечных элементах золотых электродов на более химически стойкий материал (исследование проведено в рамках выполнения проекта Минобрнауки РФ «Солнечные ячейки на гибридных перовскитоподобных галогенидах для применения в фотонике». Соглашение о предоставлении субсидии № 14.613.21.0053; результаты опубликованы в журнале Journal of Materials Chemistry A).
Схема технологии получения композита из нанотрубок TiO2, заполненных перовскитоподобным соединением состава CH3NH3PbI3, посредством элекроосаждения металлического свинца в поры анодного диоксида титана с последующей газофазной конверсией свинца в перовскит в парах метиламмоний йодида. (исследование проведено в рамках выполнения проекта Минобрнауки РФ «Солнечные ячейки на гибридных перовскитоподобных галогенидах для применения в фотонике». Соглашение о предоставлении субсидии № 14.613.21.0053).
Наноструктурированный мезопористый дырочнопроводящий слой CuSCN, полученный методом электроосаждения в пористый полистирольный темплат. (исследование проведено в рамках выполнения проекта Минобрнауки РФ «Солнечные ячейки на гибридных перовскитоподобных галогенидах для применения в фотонике». Соглашение о предоставлении субсидии № 14.613.21.0053).
Кристаллическая структура (a) и оптические микрофотографии (b) трёх промежуточных фаз кристаллосольватов (аддуктов), образующихся при кристаллизации растворов перовскита в ДМФА: обогащённых по PbI2 – аддукт (MA)2(DMF)2Pb3I8; стехиометричных – (MA)2(DMF)2Pb2I6 и обогащённых по MAI – (MA)3(DMF)PbI5. (исследование проведено в рамках выполнения проекта Минобрнауки РФ «Солнечные ячейки на гибридных перовскитоподобных галогенидах для применения в фотонике». Соглашение о предоставлении субсидии № 14.613.21.0053).
Фотолюминесцентное картирование плёнок CH3NH3PbI3, полученных из раствора в ДМФА. Жёлтый цвет соответствует фотолюминесценции в области длин волн 500-550 нм, отвечающей PbI2, синий соответствует эмиссии в области длин волн 750-800 нм, отвечающей перовскиту CH3NH3PbI3. (исследование проведено в рамках выполнения проекта Минобрнауки РФ «Солнечные ячейки на гибридных перовскитоподобных галогенидах для применения в фотонике». Соглашение о предоставлении субсидии № 14.613.21.0053).
Компьютерная реконструкция на основе данных ПЭМ строения микросферы TiO2
с морфологией ядро-оболочка: крупнокристаллическое ядро рутила внутри нанокристаллической оболочки анатаза
Наноструктурированный светопоглощающий слой состава CH3NH3PbI3 в виде нитевидных кристаллов (получены по методике, разработанной в рамках выполнения проекта Минобрнауки РФ «Солнечные ячейки на гибридных перовскитоподобных галогенидах для применения в фотонике», Соглашение о предоставлении субсидии № 14.613.21.0053)
Наночастицы серебра на поверхности микросфер магнетита для применения в качестве магнитно-сепарируемого усилителя рамановского сигнала
Группа участвует в работах по следующим грантам:
Минобрнауки Россия – Швейцария «Солнечные ячейки на гибридных перовскитоподобных галогенидах для применения в фотонике», совместно с М.Гретцелем, 2016-2018, Соглашение о предоставлении субсидии № 14.613.21.0053, Руководитель проекта – профессор д.х.н. Шевельков А.В.
РФФИ – ОФИ «0D - 1D – 2D наногетероструктуры для фотовольтаических преобразователей энергии с улучшенной эффективностью и расширенным спектральным диапазоном функционирования» 2016-2018, Руководитель проекта – профессор д.х.н. Гудилин Е.А.
Основные публикации:
«Light-induced reactivity of gold and hybrid perovskite as a new possible degradation mechanism in perovskite solar cells» Natalia N. Shlenskayaa, Nikolai A. Belich, Michael Gr?tzel, Eugene A. Goodilin, Alexey B. Tarasov. // Journal of Materials Chemistry A, 2018. Vol. 6, № 4. P.1780–1786.
«Template synthesis of methylammonium lead iodide in the matrix of anodic titanium dioxide by direct conversion of electrodeposited elemental lead» Nikolai A. Belich, Anastasia S. Tychinina, Vitaliy V. Kuznetsov, Evgeny A. Goodilin, Michael Graetzel, Alexey B. Tarasov. // Mendeleev Communications (in press)
«Electrodeposition of porous CuSCN layers as holeconducting material for perovskite solar cells» Natalia N. Shlenskayaa, Andrey S. Tutantsev, Nikolay A. Belich, Eugene A. Goodilin, Michael Graetzel, Alexey B. Tarasov. // Mendeleev Communications (in press)
«Crystal Structure of DMF-Intermediate Phases Uncovers the Link Between CH3NH3PbI3 Morphology and Precursor Stoichiometry» Petrov Andrey A. Petrov, Iuliia P. Sokolova, Nikolai A. Belich, Georgy S. Peters, Pavel V. Dorovatovskii, Yan V. Zubavichus, Victor N. Khrustalev, Andrey V. Petrov, Michael Gra?tzel, Eugene A. Goodilin, and Alexey B. Tarasov // The Journal of Physical Chemistry C, 2017. Vol. 121, № 38. P. 20739–20743.
«New Insight into the Formation of Hybrid Perovskite Nanowires via Structure Directing Adducts» Andrey A. Petrov, Norman Pellet, Ji-Youn Seo, Nikolai A. Belich, Dmitriy Yu. Kovalev, Andrei V. Shevelkov, Eugene A. Goodilin, Shaik M. Zakeeruddin, Alexey B. Tarasov and Michael Graetzel. // Chemistry of Materials 2017. Vol. 29, № 2. P. 587–594.
«Гетерогенный гидролиз тетрахлорида титана в аэрозольных системах - механизм процесса и функциональные свойства получаемого диоксида титана» (Приглашенный) Тарасов А.Б., VI Конференция молодых ученых по общей и неорганической химии, 12–15 АПРЕЛЯ 2016 ГОДА, Москва, Россия
«Синтез и исследование свойств нитевидных кристаллов гибридных органо-неорганических перовскитов с различным анионным составом для применения в фотовольтаике» (Устный). Тарасов А.Б., Петров А.A., VI Конференция молодых ученых по общей и неорганической химии, 12–15 АПРЕЛЯ 2016 ГОДА, Москва, Россия
«Электрохимический синтез композита CH3NH3PbI3/анодный TiO2» (Устный). Белич Н.А., Тарасов А.Б. VI Конференция молодых ученых по общей и неорганической химии, 12–15 АПРЕЛЯ 2016 ГОДА, Москва, Россия
Spray Solution Combustion Synthesis of Metallic Hollow Microspheres, Trusov German, Tarasov Alexey, Goodilin Eugene Alexeevich, Rogachev Alexander S., Roslyakov Sergey, Rouvimov Sergei, Podbolotov Kirill, Mukasyan Alexander S., Journal of Physical Chemistry C, том 120, № 13, с. 7165-7171
Shedding Light on Ageing of N – Doped Titania Photocatalyst, Alexey Tarasov, Anton Minnekhanov, German Trusov, Konstantinova Elizaveta A., Alexandr Zyubin, Zyubina Tatiana S., Alexey Sadovnikov, Dobrovolsky Yuri A., Eugene Alexeevich Goodilin, Journal of Physical Chemistry C, том 119, № 32, с. 18663-18670
Facile preparation of nitrogen-doped nanostructured titania microspheres by a new method of Thermally Assisted Reactions in Aqueous Sprays, Alexey Tarasov, German Trusov, Anton Minnekhanov, Dmitry Gil, Elizaveta Konstantinova, Goodilin Eugene A., Yury Dobrovolsky, Journal of Materials Chemistry, том 2, № 9, с. 3102-3109
Hydrolytic Stages of Titania Nanoparticles Formation Jointly Studied by SAXS, DLS and TEM, Tarasov A.B., Goertz V., Goodilin E.A., Nirschl H., Journal of Physical Chemistry C, том 117, № 24, с. 12800-12805
Исследование процессов взаимодействия газообразного тетрахлорида титана с водными аэрозолями методом in-situ малоуглового рентгеновского рассеяния на синхротронном излучении, Тарасов А.Б., Трусов Г.В., Грузинов А.Ю., Гудилин Е.А., Забелин А.В., НАНОСИСТЕМЫ: физика, химия, математика, том 4, № 1, с. 139-147
Участие в конкурсах и конференциях
Петров А.А. - дипломом I на конкурсе научных работ VI Конференции молодых учёных по общей и неорганической химии (Москва), апрель 2016
Белич Н.А. - дипломом II на конкурсе научных работ XXIII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2016»
Белич Н.А. - дипломом II степени на конкурсе научных работ VI Конференции молодых учёных по общей и неорганической химии (Москва), апрель 2016
Тутанцев А.С. - дипломом II степени на конкурсе научных работ XXIII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2016»
Тарасов А.Б. - диплом “Young Scientist Award” на XII International Conference on Nanostructured Materials NANO 2014
Научные связи:
Prof. M.Graetzel, Dr. S.M.Zakeeruddin, Laboratoire de Photonique et interfaces, Ecole Polytechnique Federale de Lausanne: http://lpi.epfl.ch/page-51005.html
Prof. D. Eder, Dr. A.Cherevan, Institute of Materials Chemistry, Vienna University of Technology: http://www.imc.tuwien.ac.at/index_e.php
Dr. M.Meledina, Dr. Zhi-Yi Hu, Electron Microscopy for Materials Science, University of Antwerp: https://www.uantwerpen.be/en/rg/emat/
Prof. A.Mukasyan, Department of Chemical and Biomolecular Engineering, University of Notre Dame: http://www3.nd.edu/~amoukasi/research.html
Dr. Alexander Gutsche, Prof. Hermann Nirschl, Institute of Mechanical Process Engineering and Mechanics, Karlsruhe Institute of Technology (KIT): https://www.mvm.kit.edu/english/Mitarbeiter_MVM_nirschl.php
Проф. М.Гретцель, к.х.н. А.Б.Тарасов в лаборатории проф. М. Гретцеля.
Laboratoire de Photonique et interfaces, Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, март 2015
к.х.н. А.Б.Тарасов и проф. Д.Эдер
(во время визита в лабораторию проф. Д.Эдера. Institute of Materials Chemistry, Vienna University of Technology, декабрь 2015)
к.х.н. А.Б.Тарасов, магистрант ФНМ МГУ Н.А.Белич, зав.каф.неорг. химии ХФ МГУ, руководитель проекта проф. А.В.Шевельков, проф. М.Гретцель, зав.лаб. НМ ХФ МГУ проф. Е.А.Гудилин
(во время визита в МГУ проф. М.Гретцеля, апрель 2016)
Проф. М.Гретцель, магистрант ФНМ МГУ А.Петров, Др. М.Закееруддин
(во время исследовательской стажировки А.Петрова в лаборатории проф. М. Гретцеля. Laboratoire de Photonique et interfaces, Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, май 2016)
|
|
