Тонкопленочные композитные функциональные материалы на основе оксидов металлов с варьируемыми оптическими и электрическими характеристиками для устройств фотовольтаики

Задачи проекта:

  1. Компьютерное моделирование оптических и электрических свойств разрабатываемых покрытий методом конечных элементов в математическом пакете Comsol Multiphysics.
  2. Разработка золь-гель технологии получения оксидных материалов n-(AZO) и p-типа (CuAlO2, CuCrO2) проводимости на диэлектрических подложках (кварц, сапфир, стекло). Разработка технологии получения сложных слоистых структур, состоящих из нанослоев (AZO/ZnO) с различной концентрацией легирующего алюминия от 1 до 6% золь-гель методом.  Получение прозрачных проводящих покрытий с разным коэффициентом пропускания и электропроводностью в зависимости от температуры отжига и атмосферы, в которой проводился отжиг.
  3. Анализ зависимости оптических и электрических характеристик получаемых оксидных покрытий, в зависимости от степени легирования оксидов, толщины наносимых пленок, температуры нанесения и отжига, атмосферы, в которой проводился отжиг, от структуры сложного материала AZO/ZnO.
  4. Разработка технологии получения слоев наночастиц серебра и золота между слоями оксидных пленок из водных растворов наночастиц. Получение распределений наночастиц с различной концентрацией и расстоянием между ними. Получение зависимости параметров слоев наночастиц и оптических спектров композитных материалов. Технология непосредственного синтеза наночастиц металлов в оксидных пленках золь-гель методом.
  5. Экспериментальные исследования влияния селективного излучения на проводимость композитных покрытий. Получения спектральных зависимостей значений фототока от параметров полученных покрытий.
  6. Экспериментальное исследование увеличение эффективности электролюминесценции при нанесении разработанных покрытий на чипы светодиодов, работающих на длинах волн 450 нм, 555 нм, 630 нм, 850 нм, 940 нм.
  7. Экспериментальное исследование квантового выхода кремниевой батареи с нанесенным поверх поверхности батареи тонкопленочным композитным покрытием.
  8. Разработка эскизной документации прозрачной солнечной батареи, работающей на p-n гетеропереходе n-(ZnO:Al-AgНЧ)/p-CuAlO2 (p-CuCrO2). Оценка оптимального кол-ва слоев для обеспечения эффективного гетероперехода. Оценка прозрачности батареи, мощности батареи.
  9. Разработка технологии золь-гель для нанесения разработанных покрытий на подложки из различных диэлектрических материалов (стекло, кварц, сапфир).
  10. Адаптация золь-гель технологии нанесения покрытий на подложки криволинейных форм. Применение метода погружения (дип-коатинг) и ультразвукового спрей-коатинга (лабораторная сборка). Оценка получаемых пленок по толщине.
  11. Изготовление макета солнечной прозрачной батареи. Исследование эффективности и мощности полученной солнечной батареи.

Индустриальный партнёр – ЗАО «НПО СМ»

Задачи в проекте: внебюджетное финансирование проекта и внедрение результатов

В настоящее время ЗАО "НПО СМ" включает в себя Научно-исследовательский институт, завод Специальных материалов, испытательный и научно-методический центр. ЗАО «НПО СМ» ведёт активные разработки в области материаловедения и имеет опыт проведения научных исследований и разработок. ЗАО "НПО СМ" является инновационным предприятием, на котором работает более 200 инженеров и ученых, в том числе 11 докторов наук. Сотрудники НИИ СМ являются авторами 50 монографий и учебников, свыше 100 патентов на изобретения, нескольких сотен научных публикаций. На предприятии созданы совместные лаборатории с институтом машиноведения РАН и Санкт-Петербургским государственным политехническим университетом. В состав НИИ Специальных материалов входит испытательный центр, аккредитованный на проведение 85 видов испытаний материалов и изделий.

 

Основанием для работы является Соглашение о предоставлении субсидии от 26 сентября 2017 г. № 14.575.21.0127 с Минобрнауки России на выполнение прикладных научных исследований и экспериментальных разработок по теме: «Тонкопленочные композитные функциональные материалы на основе оксидов металлов с варьируемыми оптическими и электрическими характеристиками для устройств фотовольтаики» (уникальный идентификатор ПНИЭР: RFMEFI57517X0127).

 

Цель работы:

  • Получение тонкопленочных покрытий на подложках из материалов различного типа для управления светопоглощением и электропроводностью за счет внешнего воздействия. 
  • Разработка и исследование альтернативных ITO (оксид индия-олова) покрытию композитных материалов, обладающих большей функциональностью, что приведет к созданию новых видов устройств фотовольтаики, а также к повышению эффективности существующей продукции оптоэлектронной отрасли, что позволит значительно экономить электроэнергию и ресурсы.
  • Разработка и внедрение в производство недорогой технологии получения разработанных тонкопленочных композитных функциональных материалов золь-гель методом

 

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 26.09.2017 № 14.575.21.0127 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» Мероприятие 1.2 на этапе 3 в период с 01.01.2019 по 31.12.2019 были выполнены следующие работы:

  • Изготовлены экспериментальные образцы тонкопленочных покрытий на подложках из материалов различного типа для управления светопоглощением и электропроводностью за счет внешнего воздействия (образцы криволинейные): образцы № 1кр, 2кр, 3кр, 4кр, 5кр, 6кр, 7кр;
  • Разработана программа и методика исследовательских испытаний экспериментальных образцов тонкопленочных покрытий на подложках из материалов различного типа для управления светопоглощением и электропроводностью за счет внешнего воздействия (образцы криволинейные): образцов № 1кр, 2кр, 3кр, 4кр, 5кр, 6кр, 7кр;
  • Проведены исследовательские испытания экспериментальных образцов тонкопленочных покрытий на подложках из материалов различного типа для управления светопоглощением и электропроводностью за счет внешнего воздействия (образцы криволинейные, образцы № 1кр, 2кр, 3кр, 4кр, 5кр, 6кр, 7кр);
  • По результатам исследовательских испытаний разработаны лабораторные регламенты получения тонкопленочных покрытий на подложках из материалов различного типа для управления светопоглощением и электропроводностью за счет внешнего воздействия (лабораторные регламенты получения криволинейных покрытий);
  • Разработана ЭКД на макет солнечной панели, работающей на гетеропереходе n-(ZnO:Al-AgNP)/p-CuAlO2 (p-CuCrO2) с наночастицами серебра;
  • Изготовлен макет солнечной панели, работающей на гетеропереходе n-(ZnO:Al-AgNP)/p-CuAlO2 (p-CuCrO2) с наночастицами серебра;
  • Разработана программа и методика исследовательских испытаний макета солнечной панели, работающей на гетеропереходе n-(ZnO:Al-AgNP)/p-CuAlO2 (p-CuCrO2) с наночастицами серебра;
  • Проведены исследовательские испытания макета солнечной панели, работающей на гетеропереходе n-(ZnO:Al-AgNP)/p-CuAlO2 (p-CuCrO2) с наночастицами серебра;
  • Проведены дополнительные патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р15.011-96;
  • Проведено обобщение и сделаны выводы по результатам ПНИ, в том числе рекомендации по практическому применению полученных результатов;
  • Проведена оценка полноты решения задачи и достижения поставленных целей ПНИ.

 

Охраноспособные РИД, полученные в рамках проекта

Поданы 3 заявки на патент:

- «Прозрачный гетеропереход на основе оксидов»;

- «Прозрачный фильтр УФ излучения»;

- «Устройство фотовольтаики».

 

Получены охранные документы:

Изобретение: патент «Прозрачный проводящий оксид», РФ, № 2671236 от 27.12.2017;

Изобретение: патент «Прозрачный проводящий оксид», РФ, № 2701467 от 25.12.2018;

Изобретение: патент «Прозрачный проводящий оксид», РФ, № 2701468 от 25.12.2018.

 

Полученные результаты и достижения ПНИЭР представлены на двух конференциях:

- «Saint Petersburg OPEN 2019» 6th International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures;

- International Conference PhysicA.SPb/2019.

 

Опубликовано три статьи:

1. Zinc oxide aluminum doped slabs for heat-eliminating coatings of spacecrafts. E.V. Shirshneva-Vaschenko, P.S. Shirshnev, Zh.G. Snezhnaia, L.A. Sokura, V.E. Bougrov, A.E. Romanov. Acta Astronautica 163 (2019) 107–111;

2. Electron-microscopy study of ordered silver nanoparticles synthesized in a ZnO:Al polycrystalline film. L.A. Sokura, E.V. Shirshneva-Vaschenko, D.A. Kirilenko, Zh.G. Snezhnaia, P.S. Shirshnev, А.Е. Romanov. Journal of Physics: Conference Series 1410 (2019) 012170;

3. Study of the influence of the ZnO:Al polycrystalline film morphology on the silver nanoparticles formation. E.V. Shirshneva-Vaschenko, L.A. Sokura, M.V. Baidakova, M.A. Yagovkina, Zh.G. Snezhnaia, P.S. Shirshnev, А.Е. Romanov. Journal of Physics: Conference Series 1400 (2019) 055026.

 

Выполненный объем работ по этапу 3 полностью соответствует поставленной цели и задачам ПНИЭР, перечню работ, прописанным в плане-графике, техническим характеристикам и требованиям технического задания.

 

 

Информация © 2015-2020 Университет ИТМО
Разработка © 2015 Департамент информационных технологий