Лаборатория новых материалов для солнечной энергетики
Уважаемые студенты! Меня зовут Андрей Петров, я аспирант и младший научный сотрудник Лаборатории новых материалов для солнечной энергетики ФНМ МГУ, и сегодня я хочу рассказать вам о нашей лаборатории.
В 2015-м году я окончил бакалавриат Химического факультета СПбГУ и решил поступить в магистратуру ФНМ МГУ. По совету профессора Евгения Алексеевича Гудилина я начал работать под руководством к.х.н. Алексея Борисовича Тарасова и сразу же оказался в эпицентре формирования нового научного направления на факультете. Алексей Борисович, работавший до этого несколько лет в компании DuPont в Германии, вернулся заниматься наукой на факультет и начал реализовывать совместный российско-швейцарский проект.
В этот момент ни оборудования, ни опыта работы в области проекта у нас не было, а вся лаборатория умещалась на одном письменном столе нашего руководителя. Последующее время стало для нас с коллегами увлекательным приключением: погружаясь в новую тему, мы читали много научной литературы и сами конструировали новое оборудование. Кстати, многие установки эффективно используются в лаборатории и по сей день.
За 5 лет работы мы провели тысячи увлекательных экспериментов, написали более 30 научных статей в международных научных журналах, получили дюжину российских и международных патентов и открыли несколько новых направлений исследований. На моих глазах прошло превращение маленького научного коллектива в полноценную лабораторию, публикующую статьи в рейтинговых журналах, проводящую конференции международного уровня и воспитывающую новое поколение молодых учёных от школьников до студентов младших и старших курсов. Сегодня состав нашей лаборатории насчитывает уже 22 человека.
Какими исследованиями занимается лаборатория?
Основное направление работы лаборатории – исследование фотоактивных материалов со структурой перовскита и создание перовскитных солнечных батарей.
Перовскит – это название минерала, имеющего состав CaTiO₃. Впоследствии так стали называть и другие химические соединения, которые имеют такую же кристаллическую структуру, как и этот минерал. Например, CH₃NH₃PbI₃. Это так называемый гибридный перовскит (гибридный, потому что состоит из органических катионов метиламмония CH₃NH₃+ и неорганического каркаса).
В 2009 году такой гибридный перовскит впервые применили в качестве светопоглощающего материала в солнечных батареях DSSC-типа, а последующие работы показали, что гибридные перовскиты обладают выдающимися характеристиками. Всего за несколько лет исследователи смогли увеличить КПД перовскитных солнечных элементов в несколько раз, и сегодня их эффективность уже превышают рекордные значения для кремниевых элементов. При этом получать их можно простыми растворными методами!
В нашей лаборатории мы занимаемся:
· созданием новых растворных методик получения гибридных перовскитов
· разработкой новых методов роста монокристаллов перовскитов и перовскитоподобных соединений и изучением их свойств
· изготовлением прототипов солнечных элементов и улучшением их характеристик
· повышением стабильности перовскитных солнечных элементов и изучением процессов их деградации
На практике это выглядит так: мы читаем научные статьи, которых по нашей теме выходит по несколько штук каждый день, выдвигаем гипотезы, проводим эксперименты, чтобы подтвердить или опровергнуть гипотезу, анализируем полученные результаты и пишем статьи о полученных результатах. Иногда, чтобы провести эксперимент, возникает идея собрать схему на Arduino, а чтобы проанализировать результаты экспериментов – выучить Python. Задачи могут возникать самые неожиданные, а способ их решения зависит только от вашей фантазии!
Чем занимаюсь я?
В магистратуре меня заинтересовал вопрос: почему в некоторых работах кристаллы перовскита растут в виде длинных нанонитей? Предположения, выдвинутые в статьях очень уважаемых исследователей, казались мне недостаточно убедительными, и я взялся изучить этот вопрос. А вдруг такие нити можно использовать внутри солнечных элементов, как магистрали для эффективного транспорта электронов? Я начал исследовать условия, при которых перовскит образуется в виде нитевидных кристаллов, но тут подошло время магистерской стажировки. Алексей Борисович старается всех отправлять на стажировки за рубеж, и своё исследование я продолжил в Швейцарии, в лаборатории проф. Гретцеля, где за 3 месяца означенный вопрос удалось решить.
Оказалось, что в виде нитей кристаллизуется не перовскит, а промежуточное соединение (сольват), которое быстро превращается в перовскит. Так появилась моя первая публикация в журнале Chemistry of Materials. Эффективных магистралей создать не получилось, но меня стал занимать новый вопрос: какая структура у этого промежуточного соединения? На помощь пришёл синхротрон (вернее, за помощью к синхротрону пришёл я): в качестве места прохождения приборного практикума я выбрал Центр синхротронного излучения Курчатовского института. Структуру промежуточного соединения удалось решить, а заодно с ним открыть ещё несколько похожих соединений. В результате моя работа сфокусировалась на изучении таких промежуточных фаз и их классификации. Кстати, сотрудничество с коллегами из Курчатовского института, начавшееся во время той учебной стажировки, продолжается и по сей день, и к настоящему моменту мы опубликовали вместе уже 5 работ.
Параллельно с этим я поучаствовал в ещё одном исследовании – мы с коллегами обнаружили новый класс соединений, которые образуются при смешении йода и органической соли (иодида моноалкиламмония) – мы смешали 2 порошка и с удивлением обнаружили, что при их взаимодействии образуется жидкость. Но это уже совсем другая история, о ней можно прочитать здесь.
Особенности нашей лаборатории
Коллектив нашей лаборатории очень молодой, средний возраст членов лаборатории – 24 года. Я думаю, главное, что нас всех объединяет – это увлечённость наукой в высшей степени. Чтобы разобраться в каком-то вопросе мы часто обсуждаем его вместе – это случается на регулярных общелабораторных научных семинарах, а может начаться в лифте общежития и закончиться в 2 часа ночи в коридоре. Если ты увлечён, сложно ограничить свою деятельность стенами лаборатории, а совместные обсуждения в кругу коллег всегда приводят к новым идеям и интересным совместным экспериментам. У нас очень дружный коллектив, и наукой общение отнюдь не ограничивается: иногда ты обнаруживаешь себя вместе с коллегами покоряющим на лыжах горные склоны Сочи или Андорры, иногда – сплавляющимся на рафтах по горным рекам Алтая.
Гибридные перовскиты – очень интересные объекты, до сих пор таящие множество нерешённых вопросов и предвещающие интересные ответы на них. Это и фундаментальные вопросы, например, о кристаллографических особенностях разнообразия таких объектов и необычном сочетании физических и химических свойств, и вопросы практической направленности – как собрать более эффективное светопоглощающее или светоизлучающее устройство, как можно повысить стабильность материалов, какие вспомогательные материалы можно внедрить для повышения характеристик устройств.
Как стать частью коллектива лаборатории?
Главное – вам должно быть интересно заниматься наукой и отдавать ей очень много времени и сил. Всему остальному (теоретические знания, экспериментальные навыки, английский язык) – мы научим!
Где находится лаборатория?
Нас можно найти в Ломоносовском корпусе (комната Г223), а также на 5-м этаже химфака (к. 552).
У нашей лаборатории есть сайт (http://nmse-lab.ru), а ещё у нас есть Инстаграм: @nmselab – подписывайтесь!
Если у вас остались вопросы – я буду рад на них ответить: vk.com/andreypetrov.