Углеродные точки и солнечные элементы: какие работы принесли студентам ИТМО победу на конкурсе лучших ВКР
Двое студентов факультета фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО стали победителями Всероссийского конкурса ВКР по укрупненной группе специальностей и направлений подготовки 12.00.00 «Фотоника, приборостроение, оптические биотехнические системы и технологии». О своих исследованиях и перспективах работ они рассказали ITMO.NEWS
Организаторы объявили победителей Всероссийского конкурса выпускных квалификационных работ по укрупненной группе специальностей и направлений подготовки 12.00.00 «Фотоника, приборостроение, оптические биотехнические системы и технологии». В этом году он прошел уже в 25-й раз. По направлению подготовки «Фотоники и оптоинформатика» жюри присудило первое место среди бакалавров Юрию Корженевскому, а среди магистров — Ирине Арефиной.
«Выпускники факультета фотоники и оптоинформатики, реализующие свои научно-исследовательские проекты в Международном центре Физики наноструктур, не раз становились победителями этого конкурса, — рассказывает доцент факультета фотоники и оптоинформатики Антон Старовойтов. — Это тенденция, которая говорит о том, что дипломные работы наших выпускников делаются на очень высоком научном уровне. Традиционно сильная сторона работ наших студентов в том, что при выпуске у них выдающееся научное портфолио, так как их результаты публикуются в ведущих научных зарубежных журналах, апробируются на международных конференциях. Например, наши победители конкурса ВКР в 2018 году Никита Тепляков и Татьяна Вовк сейчас учатся в аспирантуре европейских вузов — Имперском колледже Лондона (Великобритания) и Институте квантовой оптики и квантовой информации (Австрия), соответственно».
b=00,center
Победители 2020 года также занимаются экспериментальной физикой в Международном центре Физики наноструктур Университета ИТМО. Причем обе работы так или иначе связаны с «зелеными» технологиями. Подробнее об исследованиях мы попросили рассказать победителей конкурса.
Юрий Корженевский
выпускник бакалавриата 2020 года, студент 1 курса магистратуры Университета ИТМО
О работе
Я создаю солнечные ячейки из наноструктур. Вообще, есть несколько видов солнечных элементов — самые известные делаются из полупроводников. У них очень высокая эффективность, но они очень дорогие и сложные в изготовлении. Солнечные батареи на основе наноструктур уступают полупроводниковым в КПД, но зато они намного дешевле. В идеале их можно создавать с помощью струйной печати из специального раствора. Традиционно он состоит из такого вещества, как фуллерен (за его создание в 1996 году было присуждена Нобелевская премия) и полимеров, которые могут проводить электрический ток. Иногда вместо фуллерена используют квантовые точки.
Мы применили несколько другую технологию, использовав и фуллерен, и квантовые точки одновременно, в одном слое. Мое исследование как раз заключалось в том, чтобы понять, сколько фуллерена надо добавить, чтобы повысить эффективность всей структуры.
Почему эта тема
На втором курсе нас распределяли по научным руководителям в международном центре Физики наноструктур, были презентации, где нам рассказывали, кто чем занимается. Тогда мы мало что понимали, но из презентации всегда можно выбрать знакомые слова, которые тебя задевают за живое. Меня привлекли слова «солнечные батареи» и «солнечная энергетика».
Со школьных лет мне были интересны альтернативные источники энергии. Всегда, когда я садился в автомобиль, мне очень не нравился запах, не люблю, чтобы пахло бензином.
Как проходила работа
Перед началом работ я искал статьи, пролистывал литературу, искал похожие идеи, что можно модифицировать. Потом составлял план эксперимента: писал, какие нужны растворы, какие действия, какие измерения. Затем настало время изготовления образцов. Сначала я делал отдельную партию образцов, в которых был только один слой. Нужно было проверить их оптические и спектрографические свойства. Если уже на этом этапе было видно, что данная концентрация не работает, то не было смысла тратить ценные материалы и время на то, чтобы делать полноценные ячейки со вспомогательными слоями и электродами.
Если по косвенным признакам было видно, что слой перспективный, то дальше надо было на микроскопе измерить морфологию поверхности: проверить зернистость, равномерность. Если там есть неровности и островки, то хорошо она работать не будет. Если все удачно, можно делать полноценные образцы и проводить измерения.
Сложности и успехи
У меня работа протекала очень неравномерно — сначала длительная подготовка, потом интенсивная работа в лаборатории. Если посчитать, сколько я провел там во время подготовки ВКР, то получится, наверное, месяц чистой работы руками каждый день с утра до позднего вечера.
Самое обидное, когда несколько дней планируешь эксперимент, готовишь образцы два-три полных дня, просишь коллег помочь с напылением слоев. Получаешь ячейки, ничего необычного в них нет, но смотришь, и они «мертвые». То есть в них не происходит извлечение заряда или происходит, но очень слабое. И сложно сказать даже, почему так. Может быть, я что-то не так рассчитал, а может, просто чуть-чуть перегрел при обжиге. Причем это случается часто, из каждых пяти экспериментов, наверное, лишь один-два удачные. Занимаясь наукой, надо вообще быть готовым к неудачам.
Зато очень воодушевляют успехи, когда все получилось, когда ты проводишь эксперимент вечером, и видишь, что ячейки «живые». Что надо еще полчаса посидеть — и у тебя будет прекрасный материал. А потом идешь домой с чувством полного удовлетворения.
Результаты и перспективы
Мне удалось увеличить эффективность изначальных солнечных ячеек на квантовых точках. Вместо изначальных 2,5% после добавления фуллерена получилось 4,5%. Почти в два раза, хотя это чуть меньше, чем мы ожидали. Потенциально эту цифру можно увеличить до 15-20%, поэтому я занимаюсь в магистратуре совершенствованием технологии. Конкретно сейчас я изучаю один конкретный элемент — полимеры. Я пытаюсь понять, насколько эффективными могут быть ячейки с другими полимерами.
В целом такие элементы в будущем можно будет использовать на крупных станциях, где требуется большое количество солнечных батарей для генерации энергии в промышленных масштабах. За счет того, что они дешевые, их можно легко и быстро производить за достаточно умеренную цену.
Ирина Арефина
выпускница магистратуры 2020 года, аспирантка Университета ИТМО
О работе
Моя ВКР была об углеродных точках, которые стали активно изучать в рамках мегагранта Правительства РФ, выигранного в международном центре Физики наноструктур при участии ведущего ученого Андрей Рогача. Я должна была создать протокол, которому можно следовать при создании гибридного комплекса из углеродных точек и металлических наночастиц со стабильными оптическими параметрами. В моей работе были использованы золотые наночастицы.
Углеродные точки — сравнительно «молодые», их впервые упомянули в статье в 2004-го года. Их можно использовать в различных областях медицины (доставка лекарств и биовизуализация), химии (фотокатализ и электрокатализ), в фотовольтаике и для создания устройств оптоэлектроники. Основное преимущество углеродных точек перед классическими квантовыми — отсутствие токсичных элементов, таких как кадмий или свинец. Также стоит отметить, что сейчас уже существует много простых методов синтеза таких наноточек с использованием различных веществ, вплоть до экзотики типа банана и растворимого кофе.
Металлические частицы также привлекают внимание ученых благодаря тому, что они могут усиливать своим локальным полем излучение люминофора. Формирование гибридных наноструктур, состоящих из углеродных точек и металлических наночастиц, позволит добиться синергетического эффекта. То есть, если собрать их в единый комплекс и воздействовать на него излучением, то металлическая частица своим полем увеличит люминесценцию углеродной точки.
Уже есть статьи, где такие сборки используют в качестве газоанализаторов. При наличии в воздухе газа, в частности формальдегида, ионы серебра в процессе химической реакции с этим газом превращаются в серебряные наночастицы и полем воздействуют на углеродную точку, которая начинает ярко светиться. Таким образом мы видим, что газ есть.
Применение гибридных комплексов, конечно, этим не ограничивается, их также можно применять в биомедицине и для создания устройств «зеленой» нанофотоники.
Почему эта тема
Когда я пришла в магистратуру программы «Физика и технология наноструктур», мне хотелось заниматься наукой. Брать один образец, брать другой и думать, как их соединить, как комбинировать, как анализировать их свойства. После поступления нам предложили выбрать руководителя из ученых Международного центра Физики наноструктур. Те рассказали, чем они занимаются, какие есть темы для исследований. С самого начала мне понравилась тема про углеродные точки, поскольку про квантовые я слышала, а углеродные были для меня чем-то новым.
Но я решила не торопиться и сначала узнать у других научных руководителей более подробно, в чем заключается цель исследования и в чем будет состоять моя работа. Проанализировав полученную информацию, я поняла, что хочу заниматься именно углеродными точками.
Как проходила работа
Сначала я изучала сами углеродные точки и исследовала динамику носителей заряда в них. Далее изучила то, как взаимодействуют углеродные точки и золотые наночастицы в растворе. И только после изучения статей, в которых создаются похожие гибридные комплексы, приступила к их формированию.
У нас с научным руководителем было много идей, к примеру, специальные молекулы (лиганды), которые прикрепляются одним концом к углеродной точке, а другим — к наночастице золота. Также мы рассматривали подходы с использованием сфер карбоната кальция и диоксида кремния.
Вообще, есть определенные условия, которые должны соблюдаться при создании таких комплексов, иначе вся «магия» перестанет работать. Компоненты не будут взаимодействовать нужным образом. Поэтому при работе надо всегда держать в голове эти условия, а также наши возможности — что мы можем сделать с нашими реактивами. Это такая комбинаторика: пробуешь разные способы, что-то получается, а что-то нет.
Сложности и успехи
Самым сложным было уложиться во время и попробовать все методы создания комплексов. Неудачи случались. К примеру, мы возлагали большие надежды на кальциевые сферы, они широко применяются для разных целей, у них простой синтез. Мы сделали много попыток, однако они не привели к ожидаемому результату. Но так работает наука, ты совершаешь ошибки, учишься, а потом только «выстреливаешь».
Кажется, что на фоне неудачных экспериментов момент успеха должен запомниться, но на самом деле нет. Это не какой-то день или вечер прорыва, а скорее процесс. Чаще всего, работаешь допоздна, и когда наконец видишь результат, то думаешь: «Фух, а теперь можно отдохнуть».
У нас был очень успешный подход со сферами диоксида кремния. Этот материал показал стабильность, углеродные точки не тушились, в отличие от подхода с кальциевыми сферами. При этом есть много конфигураций, можно поместить внутрь сферы частицы металла, а сверху углеродные точки, можно поместить частицы в поры наших сфер и т.д.
Результаты и перспективы
Поскольку у меня было только два года, то я попробовала много способов создания гибридных структур, но не погружалась вглубь исследования. Теперь мне предстоит улучшать перспективные методики и пробовать новые. Этим я и буду заниматься в аспирантуре.
Еще одним направлением моей научной деятельности на данный момент является изучение методики, позволяющей изучать и анализировать свойства единичных молекул. Она сможет рассеять сомнения в том, соединились ли компоненты комплекса или нет.