Лаборатория солнечных фотопреобразователей

Заведующий лабораторией:д.ф.-м.н. Шевалеевский Олег Игоревич

Телефон отдела:—

Почта:—

Комната:—

В 1970-х академик Н.Н. Семёнов организовал в стране новое научное направление “Изыскание новых путей использования солнечной энергии”, которое было закреплено в одноименном названии Научного совета Президиума АН СССР. Основная идея Н.Н. Семёнова заключалась в необходимости поиска принципиально новых решений в области мировой энергетики с конечной целью использования энергии солнца как основного, экологически чистого и практически неисчерпаемого для планеты источника энергии. Пути решение этого вопроса рассматривались Н.Н. Семёновым через призму возможностей науки химическая физика (Н.Н. Семёнов. Проблемы энергетики. Научное слово 2-3, 1931; Н.Н. Семёнов. Об энергетике будущего. Наука и жизнь 10, 1972). В Институте химической физики стали активно развиваться исследования по фундаментальным процессам преобразования солнечной энергии, моделированию процессов фотосинтеза и разработке новых видов солнечных элементов на основе органических, полимерных и наноструктурированных материалов. В рамках развития работ в 1981 году распоряжением Н.Н. Семёнова в ИХФ АН СССР была создана лаборатория солнечных фотопреобразователей, которую возглавил О.И. Шевалеевский. Основной задачей лаборатории стало изучение фундаментальных процессов преобразования световой энергии в электрическую в органических и молекулярных системах и создание эффективных солнечных элементов. Исторически, в Институте химической физики им. Н.Н. Семёнова АН СССР (позже – РАН) лаборатория последовательно находилась в подчинении Отделов, руководимых академиками Л.А. Пирузяном, М.В. Алфимовым и А.Е. Шиловым. В 1996 году лаборатория вошла в состав организованного академиком А.Е. Шиловым Института биохимической физики РАН.

Сотрудники лаборатории солнечных фотопреобразователей: сидят, слева направо: Людмила Леонидовна Ларина, Олег Игоревич Шевалеевский, Марина Фаритовна Вильданова. Стоят, слева направо: Сергей Сергеевич Козлов, Анна Борисовна Никольская, Ольга Валериевна Алексеева.

Сотрудники лаборатории солнечных фотопреобразователей:  Леонтий Иванович Кузнецов и Ольга Кирилловна Карягина (в лабораторной комнате на ул. Новаторов)

Развитие возобновляемых источников энергетики является одним из наиболее приоритетных научных направлений XXI века. Успешное решение проблемы позволит кардинально изменить мировой энергетический баланс, минимизировать экологические последствия последнего столетия, связанные с экстенсивным использованием невозобновляемых горючих ископаемых, атомной энергетики и стабилизировать температурный баланс планеты. Полвека назад лауреат Нобелевской премии академик Н.Н. Семёнов говорил о неотвратимости использования солнечной энергии, как единственно возможной альтернативы для энергетики будущего. Сегодня широкомасштабное использования солнечных фотопреобразователей в мировой энергетике стало обыденным, и их вклад в энергетику растет по экспоненциальному закону. К сдерживающим факторам глобального использования солнечных фотопреобразоветелей относятся их высокая стоимость, относительно низкая эффективность преобразования, а также проблемы снижения эффективности преобразования энергии при эксплуатации солнечных элементов в реальных погодных условиях.

В начале 1980-х годов в лаборатории был начат цикл экспериментальных и теоретических работ по изучению процессов фотогенерации и транспорта электронов и ионов в полупроводниковых материалах со структурой ядро-оболочка, результатом чего стала публикация серии статей совместно с М.В. Алфимовым и М.А. Кожушнером. Был предложен и теоретически обоснован дислокационный механизм образования скрытого изображения в микрочастицах галогенидов серебра. К тому же периоду относятся работы лаборатории по исследованию механизмов фотопроводимости в пленка полиацетилена (CH)_х и создание на его основе фотоэлектрохимического солнечного элемента. В работах участвовали А.А. Харламов, Л.Л. Ларина, И.В. Кулешов, О.К. Карягина, Н.К. Трусевич, Н.М. Хидекель, Л.И. Кузнецов. В дальнейшем мы провели цикл работ по исследованию механизмов фотопреобразования энергии в органических гетероструктурах и разработанных в лаборатории СЭ на основе фталоцианинов, периленов, фуллеренов в сочетании с широкозонными полупроводниками на основе TiO₂, ZnO и др. Впервые был создан и исследован органический СЭ типа ZnPc/C₆₀ и изучены перспективы использования MPc-C₆₀ композитов (О. Шевалеевский, В. Попонин, Л. Ларина, Л. Чернозатонский). Была разработана феноменологическая теория, которая описывала поведение спектров действия фототока в тонкопленочных органических СЭ с учетом эффектов фотопроводимости (О. Шевалеевский). Результаты наших работ убедительно показали, что СЭ на основе тонкопленочных молекулярных материалов в ближайшей перспективе не будут в состоянии конкурировать с СЭ на основе классических кристаллических полупроводников. Существенные ограничения обусловлены доминирующим в таких материалах диффузионным механизмом переноса с малой диффузионной длиной (10–20 нм), коротким временем жизни носителей и низкой стабильностью органических материалов.

Начиная со средины 90-х годов лаборатория начала проводить систематическую работу по исследованию и разработке тонкопленочных органических и сенсибилизированных нанокристаллических СЭ. К нашим мировым достижениям в области солнечной фотовольтаики относится разработка органического солнечного элемента на основе фуллеренов (1996 г.), а также впервые созданный и исследованный тандемный фотопреобразователь на основе сенсибилизированных красителями СЭ. На мировом конгрессе по солнечной фотовольтаике (Осака, Япония, 2003 г.) представленная нами тандемная система была признана Оргкомитетом одной из наиболее интересных разработок тех лет в области фотовольтаики. Предложенная стратегия использования комбинированных тандемных систем с прозрачными сенсибилизированными СЭ открыла новое широкое направление в мировой фотовольтаике, успешно развивающееся и в настоящее время. В плане изучения механизмов преобразования световой энергии на границе полупроводник-электролит, нами был проведен цикл работ, который показал определяющую роль поверхностных состояний и дал теоретическое описание возможности генерации электронов фотонами с энергией ниже энергии запрещенной зоны (Л.Л. Ларина, Э.М. Трухан, О.И. Шевалеевский).

Параллельно с работами по органическим и сенсибилизированным СЭ в лаборатории проводились исследования твердотельных полупроводниковых материалов и фотовольтаических СЭ на основе аморфного (a-Si), нанокристаллического (nc-Si) кремния и халькогенидов (CIGS). На основании данных ЭПР, полученных для тонких пленок nc-Si была предложена и экспериментально подтверждена новая концепция, обосновывающая определяющую роль спин-содержащих дефектов в процессах переноса электронов в гетерогенных кремниевых структурах (O.И. Шевалеевский, M. Konagai, K.S. Lim).

В 2011 году О.И. Шевалеевский представил в госкомпанию «РОСНЕФТЬ» проект по разработке металло-оксидных солнечных элементов (МОСЭ) нового поколения (DSC - dye-sensitized solar cells) и проработке возможности их широкомасштабного производства. Предложение нашло поддержку у председателя совета директоров «Роснефти» академика А.Д. Некипелова и вице-президента компании В.Д. Миловидова. Принципиальную роль сыграла постоянная поддержка и кураторство данного направления директором нашего Института членом-корреспондентом РАН Сергеем Дмитриевичем Варфоломеевым. В «Роснефти» был открыт Целевой Инвестиционный Проект (ЦИП) и в период 2012-1017 гг. лаборатория, по заданию «Роснефти», осуществила большой цикл научно исследовательских и конструкторских работ по созданию новых видов DSCs. Основными исполнителями стали сотрудники лаборатории О.И. Шевалеевского: С.С. Козлов, Л.Л. Ларина, О.В. Алексеева, А.В. Тодинова, Н.А. Цветков, А.Б. Никольская, М.Ф. Вильданова, О.К. Карягина, Л.И. Кузнецов, А.А. Вишнев, Г.Г. Унтила, А.Б. Чеботарева, Т.Н. Кост, В.И. Иванова, П.А. Ширяев. Большую помощь в выполнении ЦИП оказывали профессора Института И.Н. Курочкин и В.М. Гольдберг.

Совещание с представителями «Роснефти» (2016 год). Слева направо: С.С. Козлов, О.И. Шевалеевский, директор департамента научно-технического развития и инноваций ПАО «НК «Роснефть» Александр Андреевич Пашали и сотрудник департамента Михаил Александрович Александров.

Были разработаны и изучены новые типы СЭ солнечных панелей для работы в условиях низкой солнечной инсоляции. Практическое исследование их работы проводилось на открытом воздухе в реальных городских условиях, для чего на крыше ИБХФ РАН был сконструирован специальный измерительных стенд. Проведение мониторинга проводилось для солнечных панелей DSC большой площади, тандемных панелей DSC/CIGS, солнечных панелей DSC c концентратором. Были изучены возможности эксплуатации основных типов коммерческих кристаллических солнечные панелей на основе кристаллического, поликристаллического и аморфного кремния, а также солнечные панели на основе халькогенидов (CIGS).

Солнечные панели на крыше ИБХФ РАН. В шахматном порядке – тандемные солнечные панели DSC/CIGS.

Большая работа проделана С.С. Козловым, который сконструировал измерительную аппаратуру, позволяющую в реальном времени круглосуточно записывать и запоминать все данные по работе солнечной станции. В рамках выполнения данного ЦИП был создан новый вид тандемных солнечных панелей, сочетающих тонкопленочные CIGS и DSC компоненты. Разработанная конструкция показала свою перспективность для работы в реальных условиях изменяемой солнечной радиации и в пасмурную погоду. В 2014 году мы установили солнечные панели и измерительную аппаратуру на крышах бензозаправочных станций «Роснефти» в г. Сочи. Результаты годового мониторинга подтвердили выдвинутую нами концепцию о преимуществе использования в реальных погодных условиях СЭ на основе тонкопленочных и наноструктурированных систем.

К основным результатам выполнения ЦИП следует отнести создание новых видов высокоэффективных элементов и панелей МОСЭ различной конструкции, включая тандемные и концентраторные системы и разработку новых технологий их производства, что закреплено в 8-ми полученных лабораторией патентах. Экономический анализ показал возможность существенного снижения стоимости электроэнергии, вырабатываемой разработанными МОСЭ в сравнении с традиционными кремниевыми системами.

В кулуарах конференции «Современная химическая физики», посвященной 120-летию со дня рождения академика Н.Н. Семёнова (2016 год). Слева направо: Майкл Гретцель, Олег Игоревич Шевалеевский и президент РАН, академик Владимир Евгеньевич Фортов.

Стоит заметить, что работы нашей лаборатории всегда находились под пристальным вниманием зарубежных ученых. Частым гостем лаборатории является крупнейший в мире специалист в области органической фотовольтаики, лауреат Международной премии «Глобальная энергия» профессор Майкл Гретцель (M. Gretzel, Losanna, Switzerland). В своем научном докладе на конференции, посвященной 120-летию со дня рождения академика Н.Н. Семёнова (16 апрель 2016 г.), Гретцель особо отметил достижения нашей лаборатории по созданию DSSC элементов для эффективной работы в условиях низкой солнечной радиации.

Посещение Института профессором Майклом Гретцелем (2016 год). Стоят слева направо: С.С. Козлов, О.И. Шевалеевский, А.Р. Бикмуллина, М.Ф. Вильданова, А.Б. Никольская, Л.Л. Ларина.

В последние несколько лет основные работы лаборатории связаны с новым видом солнечных элементов следующего поколения на основе перовскитов. Разработана технология конструирования перовскитных солнечных элементов (ПСЭ) с использованием системы с контролируемой инертной атмосферой и в условиях низкой влажности. получения наноструктурированных фотоэлектродов для солнечных элементов. В результате показана возможность управления эффективностью ПСЭ для работы в условиях как высокой, так и низкой освещенности, а также при эксплуатации элементов внутри помещения. Разработанные технологические приемы позволили получить ПСЭ с эффективностью преобразования (КПД) более 18%, которая растет по мере снижения интенсивности освещения. В лаборатории разрабатываются новые виды тандемных солнечных элементов (ТСЭ) на основе сочетания ПСЭ и кремниевых (с-Si) элементов. Мы показали, что в ТСЭ вида ПСЭ/c-Si может быть достигнут КПД около 30%, что станет рекордным значением для СЭ данного вида. Проведение мониторинга работы разработанных ПСЭ на открытом воздухе показал перспективность данных систем для условий средних и северных широт Российской Федерации. Основными исполнителями работ с ПСЭ являются в настоящее время сотрудники лаборатории С.С. Козлов, Л.Л. Ларина, А.Б. Никольская, М.Ф. Вильданова, О.В. Алексеева, Н.А. Цветков, О.К. Карягина, Л.И. Кузнецов, А.А. Вишнев.

Перовскитные солнечные элементы

Некоторое время назад в нашу лабораторию была переведена научная группа доктора химических наук Е.Н. Александрова (1937 – 2019), одного из старейших сотрудников ИХФ и ИБХФ РАН, специалиста в области химии свободнорадикальных процессов, геохимии и экологической безопасности, который начинал свою научную деятельность в Химфизике в лаборатории академика Н.Н. Семёнова. В последние годы основными направлениями работы группы было экспериментальное и теоретическое исследование нелинейных гетерогенных факторов при воспламенении и горении водородно-кислородных смесей, реагирующих с мелкодисперсными металлическими и борсодержащими порошками. Данное направление тесно связано с разработкой технологии обработки скважин на нефтяных и газовых месторождениях с помощью мягкого термогазодинамического воздействия на продуктивные пласты и разработкой технологий добычи трудно извлекаемых и «неизвлекаемых» запасов нефти. В результате Е.Н. Александровым в 1999-2013 годах была создана новая технология добычи нефти из истощенных и нерентабельных пластов с помощью реакций бинарных смесей. Данная технология в 2013 г. была успешно опробована в США на месторождении Eastland и опередила по рентабельности ведущие технологии США и Канады. Стоит отметь огромные усилия, которые в последние годы были предприняты Евгением Николаевичем для внедрения в Российской Федерации предложенных им передовых технологий. Его почти десятилетняя деятельность в этом направлении, хотя и встретила положительный прием руководства таких ведущих Российский компаний как «Лукойл», «Татнефть» и «РОСНЕФТЬ», на производственном уровне постоянно сталкивалась с корпоративным неприятием «сторонних» научных идей. Несмотря на все сложности, проведенные им экспериментальные работы в реальных условиях показали существенные преимущества предложенной им инновационной технологии, что, несомненно, будет востребовано в будущем.

Д.х.н. Евгений Николаевич Александров (1937-2019), с 1996 по 2018 гг. заведующий лабораторией газового анализа и экотоксиметрии ИБХФ РАН.

За последние десять лет сотрудниками лаборатории Солнечных фотопреобразователей опубликованы 2 монографии, более 50 работ в рецензируемых международных журналах, сделано около 80 докладов на престижных международных конференциях в области солнечной фотовольтаики, получено 11 Российский и зарубежных патентов на изобретение. В этот период работы лаборатории были поддержаны 7 грантами РФФИ, грантом РНФ, совместным с ОАО «НК «РОСНЕФТЬ» Целевым Инвестиционным Проектом.

Сотрудники лаборатории неоднократно приглашались для работы в зарубежные лаборатории и вели совместные работы с Корейским Институтом Передовой Науки и Технологии (KAIST, South Korea), Чунг-Намским Национальным университетом (CNU, Daejeon, South Korea), Массачусетским технологический институтом (MIT, USA), Уппсальским университетом (UppsalaUniversity, Sweden).

Участие коллектива в международных проектах отражено в совместных публикациях с научными группами профессоров M. Kanagai (TokyoInstituteofTechnology, Japan), B. Yildiz (MIT, USA), D. Meissner (JulichResearchCenter, Germany), K.S. Lim(KAIST, SouthKorea), B.T. Ahn (KAIST, SouthKorea), H.S. Choi (CNU, SouthKorea).