Invertēto perovskīta saules bateriju akceptorgrupas saturošu lādiņu transportējamo materiālu sintēze un pētījumi

Dr. Viktorija Andruleviciene

Invertētajām perovskīta saules baterijām (IPSC) tiek pievērsta aizvien lielāka uzmanība, pateicoties to augstajai darbības stabilitātei, niecīgajai histerēzei un izmaksu ziņā lietderīgajam izgatavošanas procesam. IPSC maksimālais enerģijas pārveidošanas lietderības koeficients 23,72 % jau ir sasniegts, tomēr nesenie panākumi to veiktspējas uzlabošanā liecina, ka vēl ir tālu līdz pilnīgai IPSC optimizācijai. Papildus perovskīta absorbētājam izšķiroša nozīme fotoelementu veiktspējai ir arī blakus esošajiem lādiņu pārneses slāņiem, jo tie nodrošina fotoģenerēto caurumu un elektronu pārnesi un ekstrakciju. Tomēr jaunu efektīvu organisko lādiņu pārneses materiālu izstrāde IPSC ir liels izaicinājums. Projekta mērķis ir izstrādāt IPSC lādiņu pārneses materiālus ar akceptoru grupām, kuri būtu bez dopantiem. Pētījumos akceptoru grupas ir atzītas kā veiksmīga pieeja, lai uzlabotu enerģijas līmeņa izkārtojumu un lādiņa mobilitāti, kas savukārt nozīmē labākas IPSC fotoelementu īpašības. Lai sasniegtu projekta mērķi, nepieciešams kopīgs darbs, piedaloties pētniekiem, kuriem ir pieredze organisko elektroaktīvo savienojumu sintēzē, kā arī IPSC izgatavošanā un raksturošanā.

1. Komerciāli daudzsološu organisko lādiņa pārneses materiālu ar akceptoru grupām izstrāde

Ļoti svarīga ir lēta organisko lādiņu pārneses materiālu sintēze IPSC. KTU pētnieki koncentrēsies uz vienkāršām un izmaksu ziņā lietderīgām sintēzes metodēm materiāliem, kas satur donoru un akceptoru grupas. Lai uzlabotu IPSC veiktspēju, tiks izmantoti akceptori ar fluoru, slāpekli, skābekli vai cianogrupu saturošiem aizvietotājiem. Skābekļa un fluora atomi var izraisīt molekulu iekšmolekulāro un starpmolekulāro mijiedarbību, kas uzlabo enerģijas līmeņa izkārtojumu un palielina lādiņa ekstrakciju [J. Chem. Eng. 402 (2020) 125923]. Dažiem savienojumiem, kuros cianogrupas ir aizvietotāji, ir novērots agregācijas ierosināts efekts, kas izraisa augstu lādiņa mobilitāti cietā stāvoklī [ACS Appl. Energy Mater. 2021, 4, 6, 5756–5766]. Turklāt akceptoru aizvietotāji pasivizē defektus perovskīta slānī, uzlabojot saules bateriju īpašības [J. Mater. Chem. A, 2020,8, 6517-6523].

2. Nesen sintezēto organisko lādiņu pārneses materiālu izpēte IPSC vajadzībām

JMU pētnieki raksturos un testēs sintezētos un IPSC paredzētos organiskos pusvadītājus bez dopantiem. To izpētīs ar optiskās spektroskopijas eksperimentiem, lai gūtu ieskatu spektrālajās iezīmēs, kas saistītas ar lādiņnesējiem. Izmantojot elektronu spina rezonansi (ESR), viņi varēs noteikt esošo lokalizēto un brīvo lādiņu daudzumu tumsā un apgaismojumā [Adv. Electron. Mater., 2022, 8, 2200113]. Izmantojot pārejošo mikroviļņu vadītspēju (TRMS), var novērtēt lādiņnesēju mobilitāti un dzīves laiku [Adv. Energy. Mater., 2022, 12, 2102776]. IPSC ilgtermiņa stabilitāte ir viens no svarīgākajiem jautājumiem, kas jāatrisina, lai tos varētu izmantot komerciāli. Ir pierādīts, ka dopantu aizvākšana no lādiņu pārneses slāņiem ir ļoti efektīva veids, kā uzlabot ierīces stabilitāti [Chem Sci. 2019, 10(28), 6748–6769]. Lai to novērtētu, JMU zinātnieki izpētīs ierīces kapacitāti, izmantojot vai nu impedances mērījumus, vai arī pārejošā pārtrauktas ķēdes sprieguma (OCVD) metodes [Sust. Energy Fuels 2021, 5 3578-3587], kas atvieglo jonu un brīvo lādiņnesēju īpašību noteikšanu saules baterijās.

3. Palielināt JMU un KTU zinātnisko potenciālu, pētniekiem daloties ar zināšanām savā starpā

Tā kā projektā plānotie pētījumi ir starpdisciplināri, notiks zināšanu apmaiņa starp ķīmiķiem un fiziķiem. KTU pētnieki nodos savas zināšanas par organisko lādiņu pārneses materiālu izstrādi, sintēzi un izpēti JMU pētniekiem. KTU pētnieki sadarbībā ar kolēģiem no JMU gūs zināšanas par organisko pusvadītāju un perovskīta saules bateriju izpēti, izmantojot spinu uztverošas magnētiskās rezonanses un pārejošās vadītspējas metodes. Zināšanu apmaiņa starp KTU un JMU notiks tiešsaistes sanāksmēs, semināros, analizējot rezultātus un galu galā izstrādājot manuskriptu, kas ļaus sagatavot kopīgu priekšlikumu “Apvārsnis Eiropa” programmai. Ir skaidrs, ka cieša un mērķtiecīga sadarbība starp KTU un JMU stiprinās abu pušu pētnieku zinātnisko potenciālu.

Tiešā mērķgrupa ir projekta īstenotāji. Projekta mērķa sasniegšanai sadarbosies 4 komandas dalībnieki no JMU un 6 komandas dalībnieki no KTU.

Netiešā mērķgrupa ir 50 cilvēki no JMU un KTU akadēmiskā personāla/fakultātēm, gan no ķīmijas, gan no fizikas nozares, kuri piedalīsies semināros un diskusijās. Turklāt netiešajā grupā būs arī pētniecības (organisko un perovskīta fotoelementu) kopienas locekļi, kuri nāks, lai iepazītos ar starptautiskos žurnālos publicētajiem rezultātiem.