Стипендия Президента Российской Федерации для молодых ученых и аспирантов, осуществляющих перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики, проект № СП-3260.2022.1

Руководитель проекта: Зинченко Т.О., инженер-исследователь НПЛ «Полет» кафедры «Информационно-измерительная техника и метрология»

В настоящее время в мире проблема энергоэффективности решается комплексно, в том числе, посредством разработки и применения регулируемого свето- и теплозащитного стекла или так называемых умных стекол и солнечных элементов. К умным стеклам относится группа хромогенных материалов, придающих стеклу способность изменять свою светопроницаемость в зависимости от воздействия электрического тока и иных внешних факторов. При этом в умных стеклах, как и в солнечных элементах, присутствует слой прозрачного проводящего покрытия, который представляет собой тонкопленочный материал, чаще всего оксид металла, обладающий высокой электропроводностью и оптической прозрачностью.
Проект направлен на решение проблемы синтеза тонкопленочных покрытий путем разработки интеллектуальной автоматизированной установки и модернизации технологии синтеза прозрачных проводящих оксидов.
Задачи поиска и внедрения новых материалов функциональных слоев «умных» стекол и солнечных элементов, разработки технологий синтеза прозрачных проводящих покрытий решают многие зарубежные научные коллективы (Института возобновляемых источников энергии им. Штефенсона, Великобритания; Технологического Университета Окинава, Япония; Технологического Университета Ченгду, Китай; химической лаборатории Технологического Университета Тампере, Финляндия; Массачусетского Технологического Университета, США др.), а также отечественные научные школы Московского государственного университета им. М. Ю. Ломоносова, Института химии Санкт-Петербургского государственного университета, Института физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина РАН, Казанского федерального университета и др. Кроме того, в Российской Федерации в силу климатических условий в холодное время года возникает серьезная проблема с оледенением стекол, появления конденсата. Учитывая необходимость прогрева стекол, актуальной представляется задача разработки недорогой, масштабируемой технологии получения тонких прозрачных проводящих, и как следствие нагревающихся пленок. При этом технология должна предусматривать возможность нанесения покрытий на поверхности большой площади и сложной формы. Такие пленки обеспечивают низкий уровень излучения тепла в окружающую среду, благодаря чему стекло остывает медленнее, предотвращая конденсацию.
В России в Научно-техническом центре «ТАТА» (ООО НТЦ «ТАТА») при участии специалистов Института проблем химической физики Российской Академии наук (ИПХФ РАН) разрабатываются принципиально новые электрохромные наноструктурированные материалы с дистанционно управляемыми свойствами и повышенным временем эксплуатации коммерческой направленности, предназначенные для применения в системах климат-контроля различного назначения, в том числе в авиационной и ракетнокосмической технике. Но традиционные методы получения тонких пленок имеют ряд недостатков, таких как: использование вакуума (и как следствие, повышение стоимости), ограничение по площади нанесения (невозможно наносить покрытия на поверхности большой площади), сложность в встраивании в производство. В результате актуальной является задача разработки автоматизированной системы синтеза прозрачных проводящих оксидов на поверхности сложной формы и большого размера.

Цель проекта. Разработка интеллектуальной автоматизированной установки для синтеза прозрачных проводящих оксидов большой площади. Улучшение показателей качества прозрачных проводящих оксидов (ППО), создаваемых в процессе управляемого синтеза на основе исследования взаимосвязей между технологическими режимами нанесения и свойствами прозрачных проводящих оксидов.

Задачи проекта:

1. Разработать методику оптимизации параметров сенсибилизированных красителем солнечных элементов по критерию максимальной эффективности.
2. Разработать реакционную камеру для автоматизированной установки синтеза тонкопленочных прозрачных проводящих большой площади покрытий методом спрей-пиролиза.
3. Разработать вытяжную систему для автоматизированной установи синтеза тонкопленочных прозрачных проводящих покрытий большой площади методом спрей-пиролиза.
4. Разработать систему нагрева для автоматизированной установки синтеза тонкопленочных прозрачных проводящих покрытий большой площади методом спрей-пиролиза.
5. Создать базу экспериментальных образцов из различных материалов установки для синтеза прозрачных проводящих оксидов.
6. Исследовать полученные образцы прозрачных проводящих покрытий из различных материалов и создать систему описания свойств материалов в зависимости от технологии получения.

Ожидаемые результаты проекта

Разработка автоматизированной системы синтеза ППО большой площади с использованием методов теоретических основ электроники, схемотехники, микросхемотехники, микро- и наноэлектроники, теоретической метрологии, теории надежности и качества.
Минимизация погрешностей адекватности предложенных моделей взаимосвязей электрофизических, оптических, морфологических параметров умных стекол и функциональных тонкопленочных слоев электрохромных панелей посредством выполнения метрологического анализа.  Новые методики синтеза прозрачных проводящих покрытий большой площади посредством предложенной автоматизированной установки; методики оптимизации технологических режимов управляемого синтеза прозрачных проводящих покрытий; методики измерений оптических, морфологических и электрофизических свойств прозрачных проводящих покрытий.

Достигнутые результаты проекта

1. На основе инструментов управления качеством для технологического процесса синтеза прозрачных проводящих оксидов (ППО) на основе диоксида олова, легированного сурьмой методом спрей-пиролиза, разработаны диаграмма Исикавы, диаграмма Парето, контрольная карта, причинно – следственные диаграммы, диаграмма связей. В совокупности это позволило систематизировать факторы, влияющие на параметры качества ППО, сделать выводы о наиболее существенных причинах дефектов ППО, сформулировать рекомендации по устранению причин дефектов ППО и учесть их при разработке методик синтеза покрытий.

2. Показано, что существенное влияние на качество ППО оказывают параметры раствора, а именно концентрация прекурсора, концентрация примеси и объем раствора. Поскольку необходимые значения проводимости, по сути, достигаются путем внедрения примеси, так как легирование позволяет увеличить концентрацию носителей заряда за счет неглубоких примесных уровней, которые образуются в зонной структуре ППО.

3. Разработана технология получения прозрачных проводящих покрытий методом спрей-пиролиза с использованием разработанной установки, отличающейся возможностью управляемого синтеза покрытий с заданными свойствами.

4. Разработана структура установки для управляемого синтеза прозрачных проводящих покрытий методом спрей-пиролиза, которая отличается наличием уникальной системы линейного перемещения распылителя раствора с движением по заданной оптимальной траектории, подобранной эмпирическим путем.

Область применения. Разработаны автоматизированная система и технология синтеза функциональных тонкопленочных прозрачных проводящих покрытий методом спрей-пиролиза, которые целесообразно использовать при производстве солнечных элементов, «умных» стекол, элементов функциональной электроники.