The object of research, development or design (in Russian) : Органические солнечные элементы, тонкие пленки с дырочной проводимостью, тонкие пленки с электронной проводимостью, органические электрохимические устройства

The object of research, development or design (in Kazakh) : Органикалық күн элементтері, тесіктік өткізгіштігі бар жұқа қабыршақтар, электрондық өткізгіштігі бар жұқа қабыршақтар, органикалық электрохимиялық құрылғылар.

Aim of work (in Russian) : Увеличение фотовольатических показателей органических солнечных элементов на основе объемного гетероперехода. Цель проекта будет достигнута за счет разработки архитектуры солнечного элемента с 2D механизмов разделения заряда, который будет реализован путем модификации морфологии селективного слоя с дырочной проводимостью (hole transport layer) на основе наноструктурированных пленок оксида меди (Cu2O) и тиоцианата меди (CuSCN).

Aim of work (in Kazakh) : Көлемді гетероөтулер негізінде органикалық күн элементтерінің фотовольтаикалық көрсеткіштерін арттыру. Мыс тиоциониаты (CuSCN) және мыс оксидінің (Сu2O) наноқұрылымдық қабықшалары негізінде кемтікті өткізгішпен (hole transport layer) селективті қабатының морфологиясын модификациялау жолымен жүзеге асырылатын күн батареясының архитектурасын 2D зарядты бөлу механизмдерімен әзірлеу арқылы жобаның мақсатына қол жеткізіледі.

Методы исследования (на русском) : В работе применялись различные методы синтеза тонких пленок, различные методы исследования свойств тонких пленок и также различные метода характеризации фотовольтаических параметров солнечных элементов: - Синтез тонких пленок методом электрохимического осаждения - Синтез тонких пленок методом золь-гель - Исследования морфологии тонких пленок методом сканирующей электронной микроскопии - Исследования морфологии тонких пленок методом атомно-силовой микроскопии - Исследования структуры тонких пленок методами рентгеновский дифрактометрии - Исследования элементного состава методами энергодисперсионного анализа -Исследования механизмов переноса носителей заряда методами электрохимической импедансной спектроскопии - Исследования оптических свойств материалов методами оптической спектроскопии - Исследования вольтамперных характеристик солнечных элементов

Методы исследования (на казахском) : Жұмыста жұқа пленкаларды синтездеудің, жұқа пленкалардың қасиеттерін зерттеудің және күн элементтерінің фотовольталық параметрлерін сипаттаудың әртүрлі әдістері қолданылды: - Электрохимиялық тұндыру әдісімен жұқа пленкаларды синтездеу - Золь-гель әдісімен жұқа пленкаларды синтездеу - Сканерлеуші электронды микроскопия әдісімен жұқа пленкалардың морфологиясын зерттеу - Атомдық-күштік микроскопия әдісімен жұқа пленкалардың морфологиясын зерттеу - Рентгендік дифрактометрия әдістерімен жұқа пленкалардың құрылымын зерттеу - Энергодисперсиялық талдау әдістерімен элементтік құрамды зерттеу - Электрохимиялық импеданс спектроскопиясы әдістерімен заряд тасымалдаушыларды тасымалдау механизмдерін зерттеу - Оптикалық спектроскопия әдістерімен материалдардың оптикалық қасиеттерін зерттеу - Күн элементтерінің вольтамперлік сипаттамаларын зерттеу.

Obtained results and novelty (in Russian) : Разработана низкотемпературная технология электроосаждения нанокомпозитных плёнок Cu₂O/CuSCN, предназначенных для использования в качестве слоя переноса дырок (HTL) в органических солнечных элементах. Показано, что переход от планарной к наномассивной архитектуре обеспечивает двумерный механизм извлечения зарядов, увеличивает площадь межфазного контакта и снижает рекомбинационные потери. В результате эффективность преобразования мощности органических солнечных элементов возросла почти в два раза — с 2.76 % до 5.59 %. Изучено влияние потенциала, pH, температуры и плотности тока на морфологию и структуру плёнок Cu₂O и CuSCN. Определены оптимальные условия формирования однородных гетероструктур с высокой межфазной связностью. На фундаментальном уровне исследованы ионно-электронные процессы в органических электрохимических структурах. Разработана аналитическая модель органического электрохимического выпрямителя (OECR), основанная на преобразовании архитектуры OECT в двухконтактное устройство. Экспериментально подтверждены эффекты выпрямления, переключения полярности и отрицательного дифференциального сопротивления, что открывает перспективы применения OECR в нейроморфных схемах и биоэлектронике. Научная новизна — создание наномассивной HTL Cu₂O/CuSCN с 1D→2D переносом дырок, установление связи условий электроосаждения с морфологией и подтверждение отрицательного дифференциального сопротивления.

Obtained results and novelty (in Kazakh) : Төмен температуралы электро тұндыру технологиясы негізінде органикалық күн элементтерінде тесіктік өткізгіштік қабаты (HTL) ретінде қолдануға арналған Cu₂O/CuSCN нанокомпозиттік қабыршақтары әзірленді. Планарлық құрылымнан наномассивті архитектураға көшу екі өлшемді заряд шығару механизмін қамтамасыз етіп, фазааралық байланыс ауданын арттырды және рекомбинациялық шығындарды азайтты. Нәтижесінде органикалық күн элементтерінің тиімділігі 2,76 %-дан 5,59 %-ға дейін артты. Потенциалдың, pH, температураның және ток тығыздығының Cu₂O және CuSCN қабыршақтарының морфологиясы мен құрылымына әсері зерттеліп, фазааралық байланысы жоғары біртекті гетероқұрылымдарды алу шарттары анықталды. Фундаменталды деңгейде иондық-электрондық процестер зерттеліп, органикалық электрохимиялық түзеткіштің (OECR) аналитикалық моделі ұсынылды. Бұл модель органикалық электрохимиялық транзистордың (OECT) архитектурасын екі контактілі құрылғыға түрлендіруге негізделген. Эксперименттік түрде түзету, полярлықты ауыстыру және теріс дифференциалдық кедергі құбылыстары расталды, бұл OECR құрылғыларын нейроморфтық сұлбалар мен биоэлектроникада қолдануға мүмкіндік береді. Ғылыми жаңалығы – Cu₂O/CuSCN негізіндегі 1D→2D тесіктік өткізгіштік механизмі бар жаңа HTL қабатының жасалуы, электро тұндыру шарттары мен морфология арасындағы байланыс анықталуы және теріс дифференциалдық кедергінің байқалуы.

The main constructive and technical economic indicators (in Russian) : Тип устройства: органические солнечные элементы (ОСЭ) на основе нанокомпозитных слоёв Cu₂O/CuSCN, а также органические электрохимические структуры (OECT и OECR). Архитектура ОСЭ: FTO/HTL(Cu₂O/CuSCN)/P3HT:PCBM/ETL(ZnO или TiO₂)/Ag. Методы синтеза: низкотемпературное электроосаждение для Cu₂O и CuSCN, золь-гель и спин-коутинг для ZnO и TiO₂. Температура синтеза не превышает 60 °C, что обеспечивает совместимость с гибкими подложками и снижает энергозатраты. Толщина слоёв: CuSCN — 80–100 нм, Cu₂O — 70–90 нм, P3HT:PCBM — 100 нм, ETL — 40–60 нм. Размер нанокристаллов Cu₂O составляет около 80 нм, формируя регулярный массив с увеличенной площадью межфазного контакта. Параметры ОСЭ: Voc = 0.84 В, Jsc = 11.8 мА/см², FF = 0.56, PCE = 5.59 %. Для сравнения, планарная структура CuSCN показала PCE = 2.76 %. Характеристики OECR: коэффициент выпрямления до 10² при напряжении менее 1 В, возможность переключения полярности и наличие отрицательного дифференциального сопротивления. Преимущества: простота и низкая стоимость процесса, масштабируемость, отсутствие дорогостоящих вакуумных стадий, совместимость с гибкими и прозрачными подложками. Итог: разработанная технология обеспечивает удвоение эффективности органических солнечных элементов при минимальных производственных затратах и открывает перспективы для промышленного производства низкотемпературных гибких фотоэлектрических устройств. Количество символов (с пробелами): 14

The main constructive and technical economic indicators (in Kazakh) : Құрылғы түрі: нанокомпозиттік Cu₂O/CuSCN қабаттарына негізделген органикалық күн элементтері (ОКЭ), сондай-ақ органикалық электрохимиялық құрылымдар (OECT және OECR). ОКЭ архитектурасы: FTO/HTL(Cu₂O/CuSCN)/P3HT:PCBM/ETL(ZnO немесе TiO₂)/Ag. Синтез әдістері: Cu₂O және CuSCN үшін төмен температуралы электро тұндыру, ZnO және TiO₂ үшін золь-гель және спин-коутинг. Синтез температурасы 60 °C-тан аспайды, бұл икемді негізбен үйлесімділікті және энергия шығынын азайтуды қамтамасыз етеді. Қабат қалыңдығы: CuSCN — 80–100 нм, Cu₂O — 70–90 нм, P3HT:PCBM — 100 нм, ETL — 40–60 нм. Cu₂O нанокристалдары ≈80 нм, реттелген массив құрып, фазааралық байланыс ауданын ұлғайтады. ОКЭ параметрлері: Voc = 0.84 В, Jsc = 11.8 мА/см², FF = 0.56, PCE = 5.59 %. Салыстыру үшін, планарлық CuSCN құрылымында PCE = 2.76 %. OECR сипаттамалары: түзету коэффициенті 10²-ге дейін (U < 1 В), полярлықты ауыстыру мүмкіндігі және теріс дифференциалдық кедергі. Артықшылықтар: процестің қарапайымдылығы және төмен құны, масштабталуы, қымбат вакуумдық сатылардың болмауы, икемді және мөлдір негіздермен үйлесімділігі. Қорытынды: технология ОКЭ тиімділігін екі есеге жуық арттырып, шығынды азайтады және төмен температуралы икемді фотовольтаикалық құрылғыларды өнеркәсіптік өндіруге жол ашады.

Level of implementation (in Russian) : Разработанные в ходе проекта технологии и научные результаты находятся на стадии экспериментально-лабораторной отработки и подтверждены серией воспроизводимых экспериментов. Полученные нанокомпозитные плёнки Cu₂O/CuSCN успешно интегрированы в прототипы органических солнечных элементов, что обеспечило двукратное повышение эффективности по сравнению с контрольными образцами. Методика низкотемпературного электроосаждения и подходы к инженерии межфазных контактов внедрены в лабораторную практику Astana IT University и используются при подготовке бакалавров, магистрантов и докторантов по направлениям «Электроника» и «Наноэлектроника». На основе результатов проекта разработаны и апробированы учебно-лабораторные работы по электроосаждению и исследованию наноструктурированных плёнок. Отдельные элементы разработок (наномассивные HTL и электрохимические структуры OECR) используются в текущих научных проектах для создания органических диодов и нейроморфных узлов. Полученные данные и методология служат основой для дальнейшего прикладного внедрения в исследования по разработке гибких и энергоэффективных фотоэлектрических устройств. Таким образом, степень внедрения результатов можно оценить как опытно-экспериментальную (лабораторную) с перспективой перехода к пилотному производству и прикладному использованию в области органической и гибридной электроники.

Level of implementation (in Kazakh) : Жоба барысында әзірленген технологиялар мен ғылыми нәтижелер эксперименттік-зертханалық деңгейде іске асырылып, қайталанатын тәжірибелер арқылы расталды. Алынған Cu₂O/CuSCN нанокомпозиттік қабыршақтары органикалық күн элементтерінің прототиптеріне табысты енгізіліп, бақылау үлгілеріне қарағанда тиімділіктің екі есеге артқанын көрсетті. Төмен температуралы электро тұндыру әдістемесі мен фазааралық байланыс инженериясы тәсілдері Astana IT University зертханалық тәжірибесіне енгізілді және «Электроника» мен «Наноэлектроника» бағыттары бойынша бакалаврлар, магистранттар және докторанттарды даярлау үдерісінде қолданылады. Жоба нәтижелері негізінде электро тұндыру және наноқұрылымды қабыршақтарды зерттеу бойынша зертханалық жұмыстар әзірленіп, оқу процесіне енгізілді. Әзірленген шешімдердің жекелеген элементтері (наномассивті HTL және OECR электрохимиялық құрылымдары) органикалық диодтар мен нейроморфтық тораптарды құруға бағытталған ағымдағы ғылыми жобаларда қолданылады. Алынған деректер мен әдістемелер икемді және энергия үнемдейтін фотовольтаикалық құрылғыларды әзірлеу саласында қолданбалы деңгейде енгізуге негіз қалайды. Осылайша, нәтижелердің енгізілу дәрежесі тәжірибелік-зертханалық деңгейде деп бағаланады және болашақта пилоттық өндіріс пен қолданбалы деңгейге көшуге мүмкіндік береді.

Efficiency (in Russian) : Эффективность реализации проекта высокая. Задачи календарного плана на 2023-2025 год выполнены на 100%, бюджетная заявка на 2023-2025 год полностью освоена. Все обязательство согласно договору выполнены.

Efficiency (in Kazakh) : Жобаны іске асыру тиімділігі жоғары. 2023–2025 жылдарға арналған күнтізбелік жоспардағы барлық міндеттер 100% орындалды, 2023–2025 жылдарға арналған бюджеттік өтінім толық көлемде игерілді. Шартқа сәйкес барлық міндеттемелер толық орындалды.

Field of application (in Russian) : Солнечная энергетика: Нанокомпозитные плёнки Cu₂O/CuSCN с улучшенной морфологией и высокой проводимостью могут использоваться как слои переноса дырок (HTL) в органических и перовскитных солнечных элементах. Это повышает эффективность, стабильность и срок службы устройств, способствуя развитию экологически чистой энергетики. Органическая электроника и сенсорика: Изученные органические электрохимические структуры (OECT и OECR) перспективны для создания биосенсоров, нейроморфных элементов и выпрямителей. Исследования ионно-электронных взаимодействий открывают возможности разработки гибких и энергоэффективных электронных систем для биоэлектроники и интеллектуальных интерфейсов. Материаловедение и образование: Разработанные низкотемпературные методы электроосаждения позволяют получать новые материалы с управляемыми свойствами, применимые при создании диодов, транзисторов и солнечных элементов. Полученные результаты внедрены в учебный процесс Astana IT University, способствуя подготовке специалистов в области органической электроники. Итог: Разработки проекта могут быть использованы в солнечной энергетике, электронике, сенсорике и нейроморфных вычислениях, содействуя развитию высокотехнологичных направлений науки и техники.

Field of application (in Kazakh) : Жоба нәтижелері ғылыми және практикалық тұрғыдан жоғары әлеуетке ие болып, органикалық және гибридті электрониканы дамытуға жаңа мүмкіндіктер ашады. Күн энергетикасы: Жақсартылған морфологиясы мен жоғары өткізгіштігі бар Cu₂O/CuSCN нанокомпозиттік қабыршақтары органикалық және перовскитті күн элементтерінде тесіктік өткізгіштік қабаты (HTL) ретінде қолданылуы мүмкін. Бұл құрылғылардың тиімділігін, тұрақтылығын және қызмет ету мерзімін арттырады, экологиялық таза энергия көздерін дамытуға ықпал етеді. Органикалық электроника және сенсорика: Зерттелген OECT және OECR органикалық электрохимиялық құрылымдары биосенсорлар, нейроморфтық элементтер және түзеткіштер жасауға мүмкіндік береді. Иондық-электрондық өзара әрекеттесулерді зерттеу нәтижелері икемді және энергия үнемдейтін биоэлектрондық жүйелер мен интеллектуалды интерфейстерді дамытуға жол ашады. Материалтану және білім: Төмен температуралы электро тұндыру әдістері реттелетін қасиеттері бар жаңа материалдарды алуға мүмкіндік береді, оларды диодтар, транзисторлар және күн элементтері жасауға қолдануға болады. Алынған нәтижелер Astana IT University оқу процесіне енгізіліп, органикалық электроника саласындағы мамандарды даярлауға ықпал етеді. Қорытынды: Жоба нәтижелері күн энергетикасы, электроника, сенсорика және нейроморфтық жүйелер салаларында қолданылып, жоғары технологиялық ғылым мен техниканың дамуына үлес қосады.