Описание научного проекта

Постановка научной проблемы, которую НУГ собирается решить, формулировка гипотез, которые будут проверены

В данном проекте мы планируем исследовать фундаментальные механизмы сбора и переноса солнечной энергии в новых полупроводниковых материалах в серии теоретических исследований с упором на моделирование во временной области, на атомистическом уровне и в непосредственной связи с экспериментом. В настоящее время появился огромный массив экспериментальных данных с хорошим временным разрешением, полученных с использованием современных лазерных установок. Эти данные привели научное сообщество к пониманию того, что механизмы, ответственные за перенос заряда и энергии, установлены в настоящее время лишь частично и принятые ранее модели остаются спорными. Современные методы моделирования квантовой динамики, такие как теория функционала плотности во временной области вместе с неадиабатичееской молекулярной динамикой и инструментами машинного обучения позволят нам рассмотреть фундаментальные аспекты сбора солнечной энергии, разделения и транспорта зарядов, а также фотохимических процессов в наноразмерных гибридных структурах проектируемых солнечных элементов. Особое внимание будет уделено двум главным темам:
(1) исследованию фотоиндуцированной динамики в новых материалах для солнечной энергетики;(2) оптимизации наноразмерных интерфейсов в гибридных структурах для эффективного переноса заряда и энергии.
Планируемые исследования будут детально описаны в двух следующих пунктах заявки.

Цель, задачи и актуальность исследования
Мы планируем исследовать динамику фотовозбуждённых состояний в новых материалах для солнечной энергетики. Будут также изучаться явления переноса заряда и энергии в гибридных системах для создания солнечных элементов с акцентом на реалистичные химические особенности структур и материалов (связи, дефекты, легирующие добавки, интерфейсы и поверхности).
Проект исследования включает в себя несколько основных задач.
1) Исследование фотоиндуцированной динамики в новых наноразмерных материалах.
1А) Металлогалогенидные перовскиты (МГП) остаются одним из наиболее интенсивно изучаемых материалов для солнечной энергетики как из-за их превосходных фотоэлектрических и фотокаталитических свойств, так и из-за низкой стоимости и простоты синтеза. Кристаллическая структура перовскитов порождает богатое разнообразие материалов с огромным спектром составов (органически-неорганические, полностью неорганические, на основе свинца и без свинца, смешанно-ионные, легированные и нестехиометрические), структурных фаз (кубических, тетрагональных, альфа и бета) и размерности (3D, 2D, квантовые точки). 
1Б) Двумерные материалы, такие как дихалькогениды переходных металлов (ДПМ), например, MoS2, графитовый нитрид углерода и черный фосфор, особенно перспективны для применения в солнечной энергетике, поскольку они максимизируют площадь интерфейса, необходимого для разделения зарядов и прохождения фотохимических процессов. Проекты с использованием двумерных систем могут привести к созданию портативных и эффективных солнечных батарей. Мы также планируем сотрудничать с экспериментальными группами (из России, Индии и Китая) в вопросах прогнозирования, синтеза и определения физико-химических параметров новых наноразмерных материалов для солнечной энергетики. Одним из таких материалов может быть недавно синтезированный двумерный полупроводник Zn2VN3 [S. Zhuk et at., Chemistry of Materials 33, 9306-9316 (2021)].
2) Исследование переноса заряда и энергии на наноразмерных интерфейсах.
Солнечные элементы включают в себя множество компонентов, предназначенных для управления передачей заряда и энергии в определенном направлении. Поэтому важно учитывать квантовую динамику, возникающую на границах раздела различных материалов, для оптимизации и контроля процессов переноса. Динамика на границах различных материалов более сложна, поскольку пограничные области включают в себя множество дополнительных особенностей, таких как несоответствие решеток и связанная с этим деформация, пассивация и легирование, адгезионные слои, кулоновские барьеры, межфазные дипольные моменты, изгиб зон и различные взаимодействия, включая ковалентную, ионную и металлическую связи, слабые взаимодействия Ван-дер-Ваальса и дальнодействующие электростатические взаимодействия. Эти факторы необходимо учитывать при моделировании реалистичных солнечных элементов.
Наиболее сложной задачей, которую хотелось бы исследовать в рамках проекта, является задача фотохимических реакций на интерфейсах. Такого рода задачи крайне актуальны для фотокатализа (например, задачи получения водорода из воды под действием солнечного света на границе фотоактивного материала). При этом время жизни фотовозбужденного состояния в катализе очень короткое, что создаёт дополнительные сложности моделирования этих процессов. 

Описание планируемых научных результатов исследования, их новизна и практическая значимость
Ниже перечислены планируемые научные результаты (нумерация задач совпадает с нумерацией в разделе "Цель, задачи и актуальность исследования").
1) Исследование фотоиндуцированной динамики в новых наноразмерных материалах.
1А) Исследование динамики фотовозбуждённых состояний в металлогалогенидных перовскитах.
- планируется исследовать влияние процессов на границах зёрен МГП. Границы зёрен претерпевают "медленные" и сложные движения, происходящие в течение наносекунд (что намного медленнее пикосекундных масштабов эволюции фотовозбуждённых состояний). При этом движения границ зёрен влияют на локализацию носителей заряда, создают переходные ловушки (см. ссылку [10] из раздела "Имеющийся задел по теме проекта") и модулируют электронно-колебательные и кулоновские взаимодействия, сильно влияя на динамику носителей заряда. Инструменты машинного обучения позволяют расширить временные масштабы моделирования для исследования "медленных" процессов на границах зёрен. Данная задача является темой диссертационной работы члена группы М.Р. Саматова (аспирант 1 года, рук. А.С. Васенко).
- один из важных вопросов: почему бессвинцовые перовскиты показывают существенно более низкую эффективность солнечных элементов, чем МГП на базе свинца. Поскольку свинец обладает высокой токсичностью, его наличие в составе материала является ограничением применения перовскитных солнечных элементов. Наши предыдущие исследования уже показали одно из возможных различий, например дефекты в свинцовых и бессвинцовых перовскитах ведут к принципиально различному влиянию на время электрон-дырочной рекомбинации (см. ссылку [2] из раздела "Имеющийся задел по теме проекта").
- для бессвинцового двойного перовскита Cs2AgBiBr6 планируется выяснить, как вариация параметра структурного упорядочивания уменьшает запрещенную зону. Cs2AgBiBr6 считается одним из наиболее перспективных светособирающих перовскитных материалов для солнечных элементов. Однако, большая запрещенная зона Cs2AgBiBr6 приводит к тому, что его применение в фотогальванике ограничено. Атомы Ag и Bi равномерно распределены в идеальной решетке Cs2AgBiBr6. При этом замена некоторых из них для создания разупорядоченной структуры согласно ряду экспериментальных исследований уменьшает ширину запрещенной зоны. Мы планируем разработку методов для определения параметра структурного упорядочения с последующим расчётом запрещённой зоны и изучением корреляций между шириной запрещенной зоной и параметром структурного упорядочивания. Данная задача является темой студенческого проекта 2023/2024 учебного года для студенток А.Б. Амер Мохд Амин, В.В. Задорожней и А.С. Фадеевой.
1Б) Исследование динамики фотовозбуждённых состояний в двумерных системах.
- планируется исследовать, как на динамику фотовозбуждённых состояний в двумерных системах влияют сложные дефекты, связанные со складками, краями и границами зёрен материала. Образование складок и краёв может увеличивать локальную плотность состояний, ускоряя релаксацию.
2) Исследование переноса заряда и энергии на наноразмерных интерфейсах.
В качестве примера системы с интерфейсами может быть рассмотрена светопоглощающая ячейка из трёх основных элементов: верхнего и нижнего углеродных слоев в качестве электродов, фотоактивного слоя из ДПМ (MoS2) и подложки из нитрида бора [L. Britnell et al., Science 340, 1311 (2013)]. Верхняя часть может быть покрыта металлическими наночастицами, чтобы подключить плазмонную систему к сбору солнечной энергии. Данная структура является достаточно общей для широкого класса гибридных структур для сбора и переноса солнечной энергии на базе двумерных материалов. Оптимизация компонентов такой ячейки и их взаимодействия друг с другом требует глубокого понимания фотоиндуцированной электрон-фононной динамики как в самих двумерных материалах, так и на формируемых ими интерфейсах.
- планируется исследовать проблему эффективного разделение зарядов в гибридных структурах со слабой связью. Дихалькогениды переходных металлов (ДПМ) и другие двумерные материалы образуют слои, которые связаны друг с другом и с другими материалами (например, углеродными слоями и металлическими частицами или пленками), посредством слабых сил Ван-дер-Ваальса. Мы будем исследовать механизм переноса заряда на гетеропереходах Ван-дер-Ваальса между ДПМ и другими двумерными материалами с одной стороны и углеродными слоями и металлическими частицами с другой. Первичная гипотеза состоит в том, что процессы переноса через слабую связь регулируются дальнодействующими кулоновскими взаимодействиями.
- планируется исследовать вопрос значения квантово-ядерных эффектов в поверхностном фотокатализе. Наличие атомов водорода, например, при расщеплении воды, ставит вопрос о вкладе квантовых свойств водорода в фотокаталитический процесс. Традиционно при компьютерном моделировании атомы рассматриваются классически или полуклассически. В этом случае теория не согласуется с результатами современных экспериментов. Решением данной проблемы могло бы быть рассмотрение атомов водорода в качестве квантовых частиц, используя мощные методы интегралов по траекториям [T.E. Markland and M. Ceriotti, Nature Reviews Chemistry 2, 0109 (2018)].