ISSN 2790-0886

ДАУКЕЕВА»

ISSN 2790-0886

В Е С Т Н И К

АЛМАТИНСКОГО УНИВЕРСИТЕТА ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Учрежден в июне 2008 года

Тематическая направленность: энергетика и энергетическое машиностроение, информационные, телекоммуникационные и космические технологии

3 (58) 2022

Импакт-фактор - 0.095

Научно-технический журнал Выходит 4 раза в год

Алматы

о постановке на переучет периодического печатного издания, информационного агентства и сетевого издания

№KZ14VPY00024997 выдано

Министерством информации и общественного развития Республики Казахстан

Подписной индекс – 74108

Бас редакторы – главный редактор Стояк В.В.

к.т.н., профессор

Заместитель главного редактора Жауыт Алгазы, доктор PhD Ответственный секретарь Шуебаева Д.А., магистр

Редакция алқасы – Редакционная коллегия

Главный редактор  Стояк В.В., кандидат технических наук, профессор Алматинского Университета Энергетики и Связи имени Гумарбека Даукеева, Казахстан;

Заместитель главного редактора  Жауыт А., доктор PhD, ассоциированный профессор Алматинского Университета Энергетики и Связи имени Гумарбека Даукеева, Казахстан;

Сагинтаева С.С., ректор Алматинского Университета Энергетики и Связи имени Гумарбека Даукеева, доктор экономических наук, кандидат физико-математических наук, профессор математики, академик МАИН;

Ревалде Г., доктор PhD, член-корреспондент Академии наук, директор Национального Совета науки, Рига, Латвия;

Илиев И.К., доктор технических наук, Русенский университет, Болгария;

Белоев К., доктор технических наук, профессор Русенского университета, Болгария;

Обозов А.Д., доктор технических наук, НАН Кыргызской Республики, заведующий Лабораторией «Возобновляемые источники энергии», Кыргызская Республика;

Кузнецов А.А., доктор технических наук, профессор Омского государственного технического университета, ОмГУПС, Российская Федерация, г. Омск;

Алипбаев К.А., PhD, доцент Алматинского Университета Энергетики и Связи имени Гумарбека Даукеева, Казахстан;

Зверева Э.Р., доктор технических наук, профессор Казанского государственного энергетического университета, Российская Федерация, г. Казань;

Лахно В.А., доктор технических наук, профессор Национального университета биоресурсов и природопользования Украины, кафедра компьютерных систем, сетей и кибербезопасности, Украина, Киев;

Омаров Ч.Т., кандидат физико-математических наук, директор Астрофизического института имени В.Г. Фесенкова, Казахстан;

Коньшин С.В., кандидат технических наук, профессор Алматинского Университета Энергетики и Связи имени Гумарбека Даукеева, Казахстан;

Тынымбаев С.Т., кандидат технических наук, профессор Алматинского Университета Энергетики и Связи имени Гумарбека Даукеева, Казахстан.

За достоверность материалов ответственность несут авторы.

При использовании материалов журнала ссылка на «Вестник АУЭС» обязательна.

41

ЭНЕРГЕТИКА И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ

УДК 620.91 https://doi.org/10.51775/2790-0886_2022_58_3_41

ПЕРОВСКИТ КҮН ЭЛЕМЕНТІНДЕГІ ФУНКЦИОНАЛДЫ ҚАБАТТЫҢ ТОЗУ ПРОЦЕСІН ЗЕРТТЕУ

Ж.Б. Омарова^1,2*, Д.Е. Ережеп¹, А.У. Алдияров¹, Н.С. Токмолдин³

1әл-Фараби атындағы Қазақ Ұлттық Университеті, Алматы, Қазақстан

2Satbayev University, Алматы, Қазақстан

3Потсдам университеті, Потсдам, Германия

E-mail: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

Аңдатпа. Перовскитті фотовольтаика күн энергиясын электр энергиясына тиімді түрлендірудің ең перспективті технологияларының бірі болып саналады. Бұл технологияны барынша кеңінен қолдануға кедергі келтіретін негізгі шектеу – әртүрлі тозу факторларынан туындаған сыртқы әсерлерге салыстырмалы түрде төмен төзіміділік болып табылады. Перовскит жұқа қабықшасының тозуын зерттеу үшін ИҚ спектроскопиясы қолданылды. ИҚ-спектроскопия жеке функционалды қабаттардағы молекулалық құрылымның тозуы мен қатар жүретін эволюциясын, сондай-ақ олардың комбинацияларын бақылауға мүмкіндік береді. Бұл жұмыста біз 400–4200 1/см тербеліс сипаттамалары диапазонында қоршаған атмосфера мен жарық әсерінен жеке функционалды перовскит қабатының химиялық құрылымының эволюциясын зерттейміз. ИҚ-спектроскопия негізінде біз күн элементтерінің жеке перовскит қабатының ыдырауының нақты жолдары мен жылдамдығын, сондай-ақ тозу негізінде жатқан процестердің белсенділенуінің сипаттамалық энергияларын анықтауға тырысамыз. Жұмыс барысында перовскиттің ыдырауының тозуға дейінгі және одан кейінгі түрі сканерлеуші электронды микроскоптың көмегімен суретке түсіру арқылы зерттелді. Соның ішінде ИК өлшеу перовскит қабатының оптикалық тығыздығын өлшеумен толықтырылады. Перовскиттің функционалды қабатының ыдырау механизмі қоршаған атмосферада болуы мүмкін белгілі бір фактордың әсеріне байланысты әр түрлі жүретіні анықталды.

Алынған қабықшалардың тұрақтылығын зерттеу бізге перовскиттерді жұқа қабықшалы фотоэлектрлік өнеркәсіпте бәсекеге қабілетті ойыншыға айналдыруға мүмкіндік береді.

Түйін сөздер: деградация, тұрақтылық, перовскит, ИҚ-спектроскопия, функционалды қабат.

1. Кіріспе

Әлемдік экономиканың қарқынды дамуына байланысты энергияны тұтынудың артуы жағдайында көптеген экологиялық мәселелерге әкелетін электр энергиясына сұраныс артып жатыр [1]. Бүгінгі таңда энергияның негізгі көзі ретінде қазба отындарын өндіру және тұтыну қоршаған ортаны шығарындылармен, қалдықтармен ластайтындығы сияқты экологиялық зиян келтіреді [2].

Тиісінше, шығарындылардың ұлғаюына байланысты экологиялық таза энергетика әлемдік масштабта энергия өндіруде маңызды және өзекті міндетке ие. Экологиялық таза энергетиканың тез қарқынды дамып келе жатқан түрлерінің бірі – фотовольтаика болып табылады [3]. Фотовольтаиканың қарқынды дамып келе жатқан бір бағыты - металлорганикалық галогенидті (OMH) перовскиттерді әзірлеу және пайдалану болып табылады [4]. OMH перовскитті күн элементтері (PSC) дайындалуының қарапайымдылығы, жоғары тиімділігі, реттелетін тыйым салынатын аймақ ені, рекомбинацияның төмен жылдамдығы, тасымалдаушылардың жоғары қозғалғыштығы, жоғары жарықты сіңіру коэффициенттері сияқты бірегей сипаттамаларының нәтижесінде зерттеу орталығына

42

айналып жатыр [5]. Соңғы онжылдықтарда PSC ғылыми зерттеулердің арқасында өздерінің тиімділігін айтарлықтай жақсартты, онда жұқа қабықша элементінің өнімділігі 25%-дан асады [4].

Дегенмен, жеке функционалды қабаттардың тұрақтылығын сақтау мәселелеріне байланысты өнеркәсіптік нарықта PSC-ті коммерцияландыру және кеңірек пайдалану әлі де қиын [6]. PSC-тің тұрақты жұмысына тозуға байланысты ішкі және сыртқы болып екіге бөлінетін әртүрлі факторлар әсер етеді. Осылайша, катиондар мен аниондар арасындағы байланыстардың беріктігіне әсер ететін перовскит иондарының шоғырлануы термиялық тұрақсыздыққа әкелетін тозудың ішкі факторы болып саналады [7]. PSC-тің кристаллдық құрылымы мен бөліктерінің стехиометриялық қатынасының сақталуы иондардың шоғырлануын басу есебінен жүреді, осыған байланысты PSC қасиеттерін сақтауға болады [8].

Сыртқы факторларға қоршаған ортаның әсері, сонымен қатар ылғалдылық [9], оттегі [10], температура [11] және интенсивті ультракүлгін сәулелер [12] жатады. Қоршаған ортаның әсерінен қарқынды тозу CH3NH3+

сутегі байланысының беріктігінің төмендеуіне әкеледі, бұл кезде PSC құрылымы бұзылады [13]. PSC абцорбциқұрылымының тозуына дейін су молекулаларының абсорбциялануынан атомаралық қашықтықтың қатты бұрмалануы байқалады [14]. Ылғалдылық пен оттегінің әсері сияқты жоғарыда аталған факторлардың кейбірін жою мақсатында қарапайым және тиімді инкапсуляция әдісі қолданылады [15]. Инкапсуляция әдісі модульдің периметрі бойынша жағылатын шеткі тығыздағыштың (герметик) арқасында әртүрлі атмосфералық жағдайларда PSC тұрақтылығын жақсартуға көмектеседі [16]. Сәйкесінше, инкапсуляция әдісін қолдана отырып, температураның цикдік өзгеруінен (-40-тан 85 ° C-қа дейін) 200 температуралық циклден және 1000 сағаттан астам жұмыс істегеннен кейін 90%-дан астам оптоэлектрлік сипаттамаларды сақтай отыра, PSC тұрақтылығына қол жеткізуге болады [17]. Дегенмен, перовскиттердің тұрақтылығына атмосфералық жағдайларда және жарық әсерінен температура диапазондарының әсері толық зерттелмеген. Төзімділік пен коммерциялану мүмкіндігін жақсарту үшін PSC-тің тозу тетігін және тұрақтылығын зерттеу қажет.

Металлорганикалық галоидты негізіндегі PSC тұрақтылығы мен өнімділігін жақсарту жолы материалдардың беткі және фазааралық қасиеттерін бақылау болып табылады. PSC-тің тозу тетігін және термиялық тұрақсыздығын зерттеудің тиімді әдісі спектроскопияны қолдану болып табылады.

Спектроскопия рентгендік дифракция [18], фотоэлектрондық спектроскопия [19], термогравиметриялық талдау [20], масс-спектрометрия [21], сканерлеуші электронды микроскоп [22]

және инфрақызыл Фурье түрлендіру спектроскопиясы (FTIR) [23] сияқты әдістерді қамтиды. Тозу тетігінің негізінде жататындарды түсіну металлорганикалық перовскит негізіндегі материалды талдау және құрылғыларының тиімділігін, сезімталдығын және тұрақтылығын жақсарту үшін қажет.

Біздің зерттеулеріміз негізінен белсенді функционалды қабаттағы (CH3NH3PbIxClx) беттік молекулалық құрылымының ілеспелі эволюциясын және тозуын бақылау үшін FTIR спектроскопиясын қолдануға бағытталған. Жоғары сезімталдыққа, инвазивті еместігіне және салыстырмалы қарапайымдылығына қарамастан, перовскиттік күн элементтерінің тозуын зерттеу үшін FTIR спектроскопиясын қолдану өте шектеулі. Бұл жұмыста біз қоршаған атмосфераның және 370-7800 1/см тербеліс сипаттамалары диапазонында кең төмен температуралық температура диапазонының (170K-ден 300K-ға дейін) әсерінен жеке белсенді қабат бетінің химиялық құрылымының дамуын зерттейміз. Белсенді функционалды қабаттың беткі құрылымының тозуын қосымша растау сканерлеуші электрондық микроскоп және кванттық тиімділікті өлшеу жүйесін қолдану арқылы жүзеге асырылды. FTIR спектроскопиясының негізінде біз белсенді функционалды қабаттың жұқа қабықшасының бетінің тозуының нақты жолдары мен жылдамдығын анықтауға ұмтыламыз. Зерттеу нәтижелері бойынша бұл тәсілді басқа функционалды қабаттар мен фотоэлектрлік жүйелерге де қолдануға болады. Ұсынылған нәтижелер атмосфералық жағдайларда тұрақты және төзімді перовскиттік фотоэлектрлік элементтерді жасау бағытында материалдар мен құрылғылардың өнімділігі мен тұрақтылығын одан әрі жақсартуға көмектеседі деген үміт бар.

2. Эксперименттік бөлім 2.1. Материалдар

N, N-Диметилформамид (HCON(CH3)2, 99,8%, CAS нөмірі: 68-12-2, Sigma-Aldrich, Ұлыбритания), метиламмоний йодид (CH6IN, >99,5%, CAS нөмірі: 14965-49-2, Люминесценция технологиясы, Тайвань), Қорғасын(II) хлориді (PbCl2, 99,999%, CAS нөмірі: 7758-95-4, Люминесценция технологиясы, Тайвань), Фтор қосылған қалайы оксиді (FTO) (өлшемдері 50*50 мм, қалыңдығы 2,2 мм) , кедергісі 7 Ом/кв, Solaronix SA, Швейцария), N-типті қоспаланған кремний

43

(диаметрі 200±0,5 мм, қалыңдығы 200±20 µm, кедергісі 1,8–13 Ωcm, Atecom Technology, Тайвань), тазартылған су, ацетон, этанол, Hellma арнайы тазартқыш концентраты (Hellmanex III, Германия), азот газы, Kimtech Kimwipes ғылыми түксіз майлықтар, шыны құты 10 мл. Дайын ерітіндіні дайындау үшін ешқандай қосымша тазартусыз химиялық заттар қолданылды.

2.2. CH3NH3PbI3-xClx дайындау

Жұқа перовскит қабықшасы ашық ауада 40%±2% салыстырмалы ылғалдылықта тазартылған кремний мен шыны төсеніштерінде жасалды. Кремний төсеніштері сәйкесінше 1 минут бойы ацетонмен, этанолмен тазартылды, содан кейін кептіргіш шкафта кептірілді. CH3NH3PbI3-xClx үшін үлгілер 3:1 (м/м) CH3NH3I:PbCl2 көмегімен дайындалды және реакция барлық қатты заттар ерігенше араластыра отырып, бөлме температурасында жүрді. Қатты бөлшектерді жақсырақ еріту үшін құты 60°C температураға дейін қыздырылды. Үлгілер 30 секунд ішінде 1000 айн/мин жылдамдықта 50 мкл перовскит көлемінде центрифугалау әдісі арқылы дайындалды, содан кейін ауада 10 минут қалдырылды, содан кейін 90 мин 100°C температурада күйдірілді, содан кейін ашық ауада 10 мин 120°C күйдірілді. Дайындалған үлгілерді инертті атмосферада бөлме температурасына дейін салқындату үшін қалдырылды. Бұл әдіспен перовскиттің жеке функционалды қабаттары шамамен 200 нм қалыңдығын берді. Бүкіл процесс 1- суретте көрсетілген.

1-сурет – Перовскитті жұқа қабықшаларды дайындау барысының сұлбалық суреті. 1 – CH3NH3PbI3-xClx ерітіндісі; 2 – субстратқа 50 мкл ерітінді қолдану; 3 – 30 с ішінде 1000 айн/мин

центрфугалау; 4 – 100 – 120C температурада 100 мин қыздыру; 5 – дайын үлгі.

2.3. Синтезге арналған құрылғы

POL-EKO Зертханалық кептіру шкафы Simple (Польша), Adventurer AX224/E аналитикалық таразылар (OHAUS, Швейцария), C-MAG HP 7 плитасы (IKA, Германия), USB 5.7 ультрадыбыстық ваннасы («Сапфир», Ресей), Eppendorf Research plus тамызғыштары (Германия), Spin-Coater WS-650 MZ-8NPPB (Laurell Technologies Corporation, АҚШ).

2.3. Құрылғының сипаттамасы

Микроқұрылымның сипаттамасы сканерлеуші электронды микроскоп арқылы зерттелді (Quanta 200i 3D, FEI компаниясы, Хиллсборо, OR, АҚШ). Quanta 200i 3D - өндірістік немесе ғылыми ортада материалдарды зерттеуге, ақауларға талдау жүргізуге және үлгіні дайындауға арналған зерттеу құралы. Quanta сканерлеуші электронды микроскопты (SEM) жоғары токқа бағытталған иондық сәулемен (FIB) біріктіру арқылы пайдалану оңай және үлгінің кез келген түрін өңдеуге жеткілікті иілгіштікке ие, материалды түрлендіру және талдау үшін әмбебап шешім жасалады. Quanta 200i 3D құрылғысының 500 В-тан 30 кВ-қа дейінгі үдеткіш кернеуі және 30 кВ-та 10 нм иондық сәуленің ажыратымдылығы бар.

Оптикалық сипаттамалар QEX-10 құрылғысымен (PV Measurements, Inc., АҚШ) өлшенді. Бұл құрылғы күн элементтерінің кванттық тиімділігін өлшеуге арналған. Сонымен қатар, құрылғыда қабықша арқылы 300 нм-ден 1100 нм-ге дейінгі диапазондағы жарықтың өтуін өлшеуге болады.

Өткізу коэффициенті және оның толқын ұзындығына тәуелділігі өткізу спектрі деп аталады. Өткізу коэффициенті орта арқылы өтетін сәуле ағынының үлгіге түсетін сәуле ағынына қатынасы ретінде сипаттауға болады. QEX10 сыналатын үлгілерге тұрақты монохроматикалық жарықпен қамтамасыз

44

ету үшін ксенон доғалық шам көзін, монохромататорды, сүзгілерді және шағылыстырғыш оптиканы пайдаланады. Кең жолақты ығысу шамы соңғы пайдалану шарттарын имитациялау үшін сынақ құрылғысын да жарықтандырады. Жүйеде күн элементтерін дайындау үшін жылдамдығы мен өлшеу дәлдігін қамтамасыз етуге арналған анықтау тізбегін пайдаланады.

Инфрақызыл спектрлік диапазондағы зерттелетін заттардың оптикалық спектрлері Ресей Федерациясында шығарылған «ИНФРАСПЕК» фирмасының ФСМ 2203 типті FTIR спектрометрінің көмегімен тіркеледі. Оптикалық спектрлік өлшеу диапазоны 370-7800 1/см, максималды спектрлік ажыратымдылығы 0,125 1/см. Бұл жағдайда сигналдың шуға қатынасы 60000 у.е. астам

3. Нәтижелер мен талқылаулар

Перовскиттердің сыртқы ортаға сезімталдығы ылғал, оттегі және жарық сияқты факторлардың синергетикалық жұмысына әкеледі, бұл фотоэлектрлік сипаттамалардың әлсіреуіне және тозу процестерінің жеделдетілуіне әкеледі. Қоршаған ортаның 50%-дан жоғары салыстырмалы атмосфералық ылғалдылықпен әсерлесуі перовскиттің органикалық катиондарымен сутектік байланыстардың түзілуіне әкеледі, мұнда перовскит су молекулаларымен оңай әрекеттеседі, нәтижесінде гидратталған өнім (CH3NH3)4PbI6·2H2O түзіледі [24]. Бұл жағдайда перовскит құрылымының тозуы және көрінетін аймақта спектрдің жұтылуының төмендеуі байқалады, ал перовскиттің тезірек бұзылуы октаэдрлік каркас пен катион арасындағы әлсіз химиялық байланыстың арқасында жүзеге асады. [25] жұмысында перовскит сумен әрекеттесуіне байланысты сары түсті PbI2 затының бөлінуімен тез ыдырайды, онда су йодидті протондайды, содан кейін йодид сутегі (HI) пайда болады. Оттегі мен ылғалдың зиянды әсерін азайтудың ең жақсы тәсілі - перовскиттегі йодид ақауларын бақылау [26]. Осылайша, жұмыста 170К-ден 370К-ге дейінгі кең температура диапазонында SEM және FTIR спектроскопиясының көмегімен жеке функционалды перовскит қабатының химиялық құрылымының дамуы талқыланады.

3.1. Перовскит бетінің морфологиясы

2-суретте кристалды кремний төсенішінде тұндырылған таза металламмоний йодидінің және қорғасын хлоридінің ыдыраған жұқа қабықшаларының микросуреті көрсетілген.

2-сурет – ҚазҰУ «NNLOT»-тағы сканерлеуші электронды микроскопың көмегімен алынған суреттері: (а) 1000 айн/мин айналдыру жылдамдығымен алынған перовскиттің (2000х) үлкейтілген кескіні, (б) 1000 айн/мин жылдамдығымен спин арқылы алынған перовскиттің жұқа қабықшасының (5000х) үлкейтілген кескіні, (c) 750 айн/мин айналдыру жылдамдығымен алынған перовскиттің жұқа

45

қабықшасының (2000х) үлкейтілген кескіні (d) 750 айн/мин айналдыру жылдамдығымен алынған перовскиттің жұқа қабықшасының (5000 х) үлкейтілген кескіні.

2-суретте тозған қабықша бетінің тармақталған құрылымы бар екендігі көрсетілген. Біз сондай- ақ, оптикалық спектроскопия үшін маңызды болып табылатын кез келген ұсақ тесіктер мен бос орындардың жоқтығын байқай аламыз. 2 a,b суретте центрифугалауда 1000 айн/мин айналу жылдамдығында 75 мкл көлемде алынған жұқа перовскит пленкасының SEM кескіндері көрсетілген.

2 c,d суретте центрифугалауда 750 айн/мин жылдамдықпен 75 мкл көлемде алынған жұқа перовскит пленкасының SEM кескіндері көрсетілген. Бұзылған қабықша бетіндегі елеулі өзгерістер байқалмады.

3.2. Оптикалық тығыздық

Перовскит қабықшасының тозған бетінің оптикалық сипаттамаларын бағалау үлгілер арқылы кең жолақты жарықты өткізу көмегімен алынған мәліметтерді пайдалана отырып жүргізілді.

Спектрлердің жұтылуының әлсіреу процесі үлгі бетінің бұзылуын тудыратын сыртқы факторлардың ұзақ уақыт әсер етуі кезінде байқалады, бұл сары түсті PbI2 затының бөлінуіне және өткізгіштіктің төмендеуіне әкеледі. Үлгі қабықшалар арқылы жарықтың өтуі 300 нм мен 1100 нм аралығында өлшенді. 336 сағат бойы әртүрлі факторлардың (жарық және ауа) әсерінен бұзылған қабықшаның алынған нәтижелері 3-суретте көрсетілген.

3 - сурет – Перовскит қабықшалары жұтылуының өзгеруінің әртүрлі факторларға тәуелділігі.

Сыртқы факторлардың әсерінен 350–400 нм қысқа толқын диапазонында сіңірілу төмендейді, содан кейін 400–750 нм диапазонында оптикалық жұтылудың аздап төмендеуі байқалды. Үшінші бөлігі 800 – 1100 нм ауқымында болды, ал 750 – 800 нм ауқымында қарқынды төмендеу байқалды, содан кейін жұтылу спектрі минимумға ұмтылды. Көрінетін ауқымдағы тиімді жұтылудың шекті толқын ұзындығы 850 нм жететінін ескере отырып, сіңіру минимумға ұмтылатын 850–1100 нм ауқымын қарастырудың қажеті жоқ. Сонымен, күн сәулесінің әсерінен туындаған тозу кезінде, біз күн сәулесін қоспағанда, атмосфераның әсерінен туындаған тозумен салыстырғанда 400 - 750 нм көрінетін аймақта фотондардың жұтылуының қарқынды төмендеуін байқауға болады. Осылайша,

46

алынған тәжірибелік деректер тозудың перовскит қабықшасының оптикалық тығыздығына әсерін көрсетеді.

3.3. FTIR спектроскопиясымен талдау

FTIR спектроскопиясының көмегімен спектрлік талдау күн элементтерінің жеке перовскит қабатының тозуының нақты жолын және жылдамдығын, сондай-ақ тозудың негізінде жатқан процестеріне тән белсендіру энергиясын анықтау үшін жасалды. Біздің спектрлік талдауымыз 370- 7800 1/см тербеліс сипаттамалары диапазонымен шектелді. FTIR спектроскопиясы қоршаған орта атмосферасы мен температурасының әсерінен жеке функционалды қабаттардың химиялық құрылымының дамуын және олардың байланысын зерттеуге мүмкіндік береді. 4-суретте CH3NH3PbIxClx монокристал үлгісінің 400–4200 1/см толқын саны диапазонында тозуға дейін және одан кейінгі сигнал-шуға жоғары қатынасында жазылған сипаттауыш өткізу жолақтарын сәйкестендіруге арналған тербеліс спектрлері көрсетілген. Жолақтар 910 1/см тербелмелі СН3, 1470 1/см қайшы C-H CH3 функционалдық тобы үшін; 660 1/см NH тербелісі әсері кезінде, 940, 970, 1250 1/см NH3 тербелісі; 1650 1/см NH3 қайшы және NH3 функционалдық тобы үшін3200 1/см NH созылуы болып тағайындалады [27]. Жарық пен жылудың біріккен әсерінен үлгінің бұзылуы жағдайында аммоний жолақтары, әсіресе 660 1/см, 940 1/см және 1650 1/см, қарқындылық бойынша метил жолақтарымен салыстырғанда айтарлықтай төмендегені анық. Бұл нәтиже үлгідегі NH3

функционалды топтарының концентрациясы CH3 концентрациясына қарағанда жылдамырақ төмендейтінін көрсетеді. Бұл аммоний молекулаларын аминге айналдыратын депротониролау процесіне немесе NH3 молекулаларының жоғалуын талап ететін басқа механизмге байланысты болуы мүмкін.

4-сурет –Перовскиттің жаңадан жасалған жұқа қабықшасымен (қызыл) және перовскиттің атмосфералық ылғал әсерінен тозған (көк), CH3NH3PbIxClx монокристал үлгілерінің ИҚ-Фурье

спектрлері.

47 4. Қорытынды

Осылайша, перовскиттің функционалды қабатының тозуы кезінде тозу тетігінде сыртқы факторлар шешуші рөл атқарады. Сыртқы факторлардың әсерінен перовскит қабықшасының молекулалары арасындағы құрылым мен байланыстар бұзылады. NH байланыстары перовскит құрылымындағы ең әлсіз буын болып табылады. Демек, жарықпен де, ауамен де туындатылған тозу тетігі йодидтік байланыстардың үзілуі арқылы басталуы мүмкін. Біз перовскиттің тозуын деградацияға дейін және одан кейін сканерлеуші электронды микроскоппен суретке түсіру арқылы растадық. Йод пен қорғасынның диссоциациялануына қатысатын ылғал, оттегі және жарық сияқты сыртқы факторлардың байланысын түсіну үшін, сондай-ақ температураның жоғарылауы және төмендеуімен жарықтың әсерінен белсенді перовскит жасушасына электрлік жүктеме қосу үшін одан әрі қарай жұмыс қажет. Дегенмен, алынған қабықшаларды тану бізге перовскиттерді жұқа қабықшалы фотоэлектрлік өнеркәсіпте бәсекеге қабілетті ойыншыға айналдыруға мүмкіндік береді.

Бұл зерттеулер Қазақстан Республикасы Білім және ғылым министрлігінің қаржылық қолдауымен AP08855738 гранты бойынша жүзеге асырылды. Графикалық сызба үшін авторлар әл- Фараби атындағы Қазақ ұлттық университетінің докторанты Голиков Олегке алғыс айтады.

ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ/ LIST OF REFERENCES

[1] W. Farooq et al., “Materials Optimization for thin-film copper indium gallium selenide (CIGS) solar cell based on distributed braggs reflector,” Optik (Stuttg)., vol. 227, p. 165987, Feb. 2021, doi:

10.1016/j.ijleo.2020.165987.

[2] E. E. Çakmak and S. Acar, “The nexus between economic growth, renewable energy and ecological footprint: An empirical evidence from most oil-producing countries,” J. Clean. Prod., vol. 352, p.

131548, Jun. 2022, doi: 10.1016/j.jclepro.2022.131548.

[3] R. J. Lowe and P. Drummond, “Solar, wind and logistic substitution in global energy supply to 2050 – Barriers and implications,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 153, p. 111720, Jan. 2022, doi:

10.1016/j.rser.2021.111720.

[4] O. Y. Gong et al., “High-performing laminated perovskite solar cells by surface engineering of perovskite films,” Appl. Surf. Sci., vol. 591, p. 153148, Jul. 2022, doi: 10.1016/j.apsusc.2022.153148.

[5] J. Jiang, W. Lin, E. Liu, J. Sha, and L. Ma, “Efficient passivation on halide perovskite by tailoring the organic molecular functional groups: First-principles investigation,” Appl. Surf. Sci., vol. 597, p.

153716, Sep. 2022, doi: 10.1016/j.apsusc.2022.153716.

[6] H. Yao and L. Liu, “Design and Optimize the Performance of Self-Powered Photodetector Based on PbS/TiS3 Heterostructure by SCAPS-1D,” Nanomaterials, vol. 12, no. 3, p. 325, Jan. 2022, doi:

10.3390/nano12030325.

[7] C.-J. Tong, X. Cai, A.-Y. Zhu, L.-M. Liu, and O. V. Prezhdo, “How Hole Injection Accelerates Both Ion Migration and Nonradiative Recombination in Metal Halide Perovskites,” J. Am. Chem. Soc., vol.

144, no. 14, pp. 6604–6612, Apr. 2022, doi: 10.1021/jacs.2c02148.

[8] H. Zai, Y. Ma, Q. Chen, and H. Zhou, “Ion migration in halide perovskite solar cells: Mechanism, characterization, impact and suppression,” J. Energy Chem., vol. 63, pp. 528–549, Dec. 2021, doi:

10.1016/j.jechem.2021.08.006.

[9] Z. Zhang et al., “Investigation on combustion, performance and emission characteristics of a diesel engine fueled with diesel/alcohol/n-butanol blended fuels,” Fuel, vol. 320, p. 123975, Jul. 2022, doi:

10.1016/j.fuel.2022.123975.

[10] L. J. Sutherland, H. C. Weerasinghe, and G. P. Simon, “A Review on Emerging Barrier Materials and Encapsulation Strategies for Flexible Perovskite and Organic Photovoltaics,” Adv. Energy Mater., vol. 11, no. 34, p. 2101383, Sep. 2021, doi: 10.1002/aenm.202101383.

[11] L. Duan and A. Uddin, “Defects and stability of perovskite solar cells: a critical analysis,” Mater.

Chem. Front., vol. 6, no. 4, pp. 400–417, 2022, doi: 10.1039/D1QM01250A.

[12] T. Sekimoto et al., “Investigation of the Acceleration and Suppression of the Light-Induced Degradation of a Lead Halide Perovskite Solar Cell Using Hard X-ray Photoelectron Spectroscopy,”

ACS Appl. Energy Mater., vol. 5, no. 4, pp. 4125–4137, Apr. 2022, doi: 10.1021/acsaem.1c03488.

[13] J.-Y. Ma et al., “Microscopic investigations on the surface-state dependent moisture stability of a hybrid perovskite,” Nanoscale, vol. 12, no. 14, pp. 7759–7765, 2020, doi: 10.1039/C9NR10137C.

48

[14] D. L. Busipalli, K.-Y. Lin, S. Nachimuthu, and J.-C. Jiang, “Enhanced moisture stability of cesium lead iodide perovskite solar cells – a first-principles molecular dynamics study,” Phys. Chem. Chem.

Phys., vol. 22, no. 10, pp. 5693–5701, 2020, doi: 10.1039/C9CP06341B.

[15] Y. Wang et al., “Encapsulation and Stability Testing of Perovskite Solar Cells for Real Life Applications,” ACS Mater. Au, vol. 2, no. 3, pp. 215–236, May 2022, doi:

10.1021/acsmaterialsau.1c00045.

[16] S. Ma, G. Yuan, Y. Zhang, N. Yang, Y. Li, and Q. Chen, “Development of encapsulation strategies towards the commercialization of perovskite solar cells,” Energy Environ. Sci., vol. 15, no. 1, pp. 13–

55, 2022, doi: 10.1039/D1EE02882K.

[17] X. Zhao et al., “Humidity Sensitivity Behavior of CH3NH3PbI3 Perovskite,” Nanomaterials, vol. 12, no. 3, p. 523, Feb. 2022, doi: 10.3390/nano12030523.

[18] H. Sun and W. Zhou, “Progress on X-ray Absorption Spectroscopy for the Characterization of Perovskite-Type Oxide Electrocatalysts,” Energy & Fuels, vol. 35, no. 7, pp. 5716–5737, Apr. 2021, doi: 10.1021/acs.energyfuels.1c00534.

[19] X. Meng et al., “In Situ Characterization for Understanding the Degradation in Perovskite Solar Cells,” Sol. RRL, p. 2200280, May 2022, doi: 10.1002/solr.202200280.

[20] E. J. Juarez-Perez, L. K. Ono, and Y. Qi, “Thermal degradation of formamidinium based lead halide perovskites into sym -triazine and hydrogen cyanide observed by coupled thermogravimetry-mass spectrometry analysis,” J. Mater. Chem. A, vol. 7, no. 28, pp. 16912–16919, 2019, doi:

10.1039/C9TA06058H.

[21] Y. Liu, M. Lorenz, A. V. Ievlev, and O. S. Ovchinnikova, “Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS) for Chemical Characterization of Metal Halide Perovskites,” Adv. Funct. Mater., vol. 30, no.

35, p. 2002201, Aug. 2020, doi: 10.1002/adfm.202002201.

[22] B. Sheng et al., “A corresponding state equation for compressed liquid isochoric heat capacity of pure and mixture refrigerants,” Int. J. Refrig., vol. 124, pp. 20–29, Apr. 2021, doi:

10.1016/j.ijrefrig.2020.12.016.

[23] Y. Huang, M. Haseeb, M. Usman, and I. Ozturk, “Dynamic association between ICT, renewable energy, economic complexity and ecological footprint: Is there any difference between E-7 (developing) and G-7 (developed) countries?,” Technol. Soc., vol. 68, p. 101853, Feb. 2022, doi:

10.1016/j.techsoc.2021.101853.

[24] L. Xiang et al., “Progress on the stability and encapsulation techniques of perovskite solar cells,”

Org. Electron., vol. 106, p. 106515, Jul. 2022, doi: 10.1016/j.orgel.2022.106515.

[25] J. M. Frost, K. T. Butler, F. Brivio, C. H. Hendon, M. van Schilfgaarde, and A. Walsh, “Atomistic Origins of High-Performance in Hybrid Halide Perovskite Solar Cells,” Nano Lett., vol. 14, no. 5, pp.

2584–2590, May 2014, doi: 10.1021/nl500390f.

[26] M. I. Saidaminov et al., “Suppression of atomic vacancies via incorporation of isovalent small ions to increase the stability of halide perovskite solar cells in ambient air,” Nat. Energy, vol. 3, no. 8, pp.

648–654, Aug. 2018, doi: 10.1038/s41560-018-0192-2.

[27] T. Glaser et al., “Infrared Spectroscopic Study of Vibrational Modes in Methylammonium Lead Halide Perovskites,” J. Phys. Chem. Lett., vol. 6, no. 15, pp. 2913–2918, Aug. 2015, doi:

10.1021/acs.jpclett.5b01309.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДЕГРАДАЦИИ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СЛОЯ В ПЕРОВСКИТНОМ СОЛНЕЧНОМ ЭЛЕМЕНТЕ

Ж.Б. Омарова^1,2*, Д.Е. Ережеп¹, А.У. Алдияров¹, Н.С. Токмолдин³

1КазНУ им. аль-Фараби, Алматы, Казахстан

2Satbayev University, Алматы, Казахстан

3Потсдамский университет, Потсдам, Германия

49

E-mail: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

Аннотация. Перовскитная фотовольтаика считается одной из наиболее перспективных технологий эффективного преобразования солнечной энергии в электрическую. Основным ограничением, препятствующим более широкому использованию этой технологии, является относительно низкая устойчивость к внешним воздействиям, вызванная различными факторами деградации. Для изучения деградации перовскитной тонкой пленки применялась ИК-спектроскопия. ИК-спектроскопия дает возможность делать мониторинг деградации и сопутствующей эволюции молекулярной структуры в отдельных функциональных слоях, а также их сочетаниях. В данной работе исследуется эволюция химической структуры отдельного перовскитного функционального слоя под влиянием окружающей атмосферы и света в диапазоне колебательных характеристик 400–4200 1/см. На основе ИК-спектроскопии мы стремимся определить конкретные пути и скорости деградации отдельного перовскитного слоя солнечных элементов, а также характерные энергии активации процессов, лежащих в основе деградации. В ходе работы была исследована деградация перовскита посредством снимков с помощью сканирующего электронного микроскопа до и после деградации. В том числе ИК-измерения дополняются измерением оптической плотности отдельного перовскитного слоя. Обнаружено, что механизм деградации функционального слоя перовскита протекает разнообразно в зависимости от воздействия определенного фактора, который может находиться в окружающей атмосфере. Исследование стабильности полученных пленок приближает нас к тому, чтобы сделать перовскиты конкурентоспособным игроком в тонкопленочной фотоэлектрической промышленности.

Ключевые слова: деградация, стабильность, перовскит, ИК-спектроскопия, функциональный слой.

INVESTIGATION OF THE PROCESS OF FUNCTIONAL LAYER DEGRADATION IN A PEROVSKITE SOLAR CELL

Zh.B. Omarova^1,2*, D.E. Yerezhep¹, A.U. Aldiyarov¹, N.S. Tokmoldin³

1al-Farabi Kazakh National University, Almaty, Kazakhstan

2Satbayev University, Almaty, Kazakhstan

3University of Potsdam, Potsdam, Germany

E-mail: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

Abstract. Perovskite photovoltaics is considered one of the most promising technologies for the efficient conversion of solar energy into electrical energy. The main limitation preventing the wider use of this technology is the relatively low resistance to external influences. It is caused by various degradation factors. IR spectroscopy has been applied to study the degradation of perovskite thin film. IR spectroscopy makes it possible to monitor the degradation and concomitant evolution of the molecular structure in individual functional layers, as well as their combinations. In this work, the evolution of the chemical structure of an individual perovskite functional layer under the influence of the surrounding atmosphere and light in the range of vibrational characteristics of 400–4200 1/cm was studied. Based on IR spectroscopy, we seek to determine the specific degradation pathways and rates of an individual perovskite layer of solar cells, as well as the characteristic activation energies of the processes underlying degradation. In the course of the work, the degradation of perovskite was investigated. Pictures using a scanning electron microscope before and after degradation were taken. Including IR measurements were supplemented by measuring the optical density of a separate perovskite layer. It was found that the degradation mechanism of the functional layer of perovskite proceeds differently depending on the impact of a certain factor, which can be in the surrounding atmosphere. Studying the stability of the obtained films brings us closer to making perovskites a competitive player in the thin-film photovoltaic industry.

Keywords: degradation, stability, perovskite, IR spectroscopy, functional layer.

Басылымның шығыс деректері

Мерзімді баспасөз басылымының атауы «Алматы энергетика және байланыс университетінің Хабаршысы» ғылыми- техникалық журналы

Мерзімді баспасөз басылымының меншік иесі «Ғұмарбек Дәукеев атындағы Алматы энергетика және байланыс университеті»

коммерциялық емес акционерлік қоғамы, Алматы, Қазақстан

Бас редактор Профессор, т.ғ.к., В.В. Стояк

Қайта есепке қою туралы куәліктің нөмірі мен күні және берген органның атауы

№ KZ14VPY00024997, күні 17.07.2020,

Қазақстан Республикасының Ақпарат және қоғамдық даму министрлігі

Мерзімділігі Жылына 4 рет (тоқсан сайын)

Мерзімді баспасөз басылымының реттік нөмірі және жарыққа шыққан күні

Жалпы нөмір 58, 3-басылым, 2022 жылғы 30 қыркүйек

Басылым индексі 74108

Басылым таралымы 200 дана

Баға Келісілген

Баспахана атауы, оның мекен-жайы «Ғұмарбек Дәукеев атындағы Алматы энергетика және байланыс университеті»

КЕАҚ баспаханасы, Байтұрсынұлы көшесі, 126/1 үй, А120 каб.

Редакцияның мекен-жайы 0 5 0 0 1 3 , Алм а т ы қ. , «Ғ ұ м а р бе к Дә ук е ев а т ы н да ғы А л м а т ы эн ер г ет и ка ж ә н е ба й ла н ы с ун и в ер с и т ет і » К ЕА Қ, Б а й т ұ р с ы н ұ лы к- с і , 1 2 6 / 1 ү й , ка б. А 2 2 4 , т е л. : 8 ( 7 2 7 ) 2 9 2 5 8 4 8 , 7 08 8 8 0 7 7 9 9 , e - m a i l : v e s t n i k @ a u e s . k z

Выходные данные

Название периодического печатного издания Научно-технический журнал «Вестник Алматинского университета энергетики и связи»

Собственник периодического печатного издания

Некоммерческое акционерное общество «Алматинский университет энергетики и связи имени Гумарбека Даукеева», Алматы, Казахстан

Главный редактор Профессор, к.т.н., Стояк В.В.

Номер и дата свидетельства о постановке на переучет и наименование выдавшего органа

№ KZ14VPY00024997 от 17.07.2020

Министерство информации и общественного развития Республики Казахстан

Периодичность 4 раза в год (ежеквартально)

Порядковый номер и дата выхода в свет

периодического печатного издания Валовый номер 58, выпуск 3, 30 сентябрь 2022

Подписной индекс 74108

Тираж выпуска 200 экз.

Цена Договорная

Наименование типографии, ее адрес Типография НАО «Алматинский университет энергетики и связи имени Гумарбека Даукеева», ул. Байтурсынулы, дом 126/1, каб. А 120

Адрес редакции 050013, г. Алматы, НАО «Алматинский у ниверситет э нергетики и с вязи имени Гумарбека Даукеева», ул. Байтурсынулы, дом 126/1, каб. А 224, т ел.: 8 (727) 292 58 48, 708 880 77 99, e-mail: [email protected]

Issue output

Name of the periodical printed publication Scientific and technical journal "Bulletin of the Almaty University of Power Engineering and Telecommunications"

Owner of the periodical printed publication Non-profit joint-stock company "Almaty University of Power Enginnering and Telecommunications named after Gumarbek Daukeyev", Almaty, Kazakhstan

Chief Editor Professor, candidate of technical sciences Stoyak V.V.

Number and date of the registration certificate and the name of the issuing authority

№ KZ14VPY00024997 from 17.07.2020

Ministry of Information and Social Development of the Republic of Kazakhstan

Periodicity 4 times a year (quarterly)

Serial number and date of publication of a periodical printed publication

Number 58, edition 3, September 30, 2022

Subscription index 74108

Circulation of the issue 200 copies

Price Negotiable

The name of the printing house, its address Printing house of Non-profit joint-stock company "Almaty University of Power Enginnering and Telecommunications named after Gumarbek Daukeev", 126/1 Baitursynuly str., office A 120, Almaty, Republic of Kazakhstan

Editorial office address 050013, Non-profit joint-stock company "Almaty University of Power Enginnering and Telecommunications named after Gumarbek Daukeyev",

A 2 2 4 , t e l .: 8 (727) 292 58 48, 708 880 77 99, e-mail: [email protected]