Разработка физико-химических основ управляемого электрохимического синтеза кремния с заданной морфологией и содержанием микропримесей для устройств преобразования и накопления энергии

Проектом предусмотрена разработка научно-практических основ новых способов управляемого электрохимического синтеза кремния и материалов на его основе, предназначенных для создания и изготовления устройств преобразования и накопления энергии с улучшенными энергетическими характеристиками. Успешное выполнение проекта позволит выявить перспективные пути дальнейших научно-практических исследований для развития возобновляемой энергетики в России. Кремний и материалы на его основе находят все большее применение для создания фотоэлектрических преобразователей и литий-ионных источников тока, при этом полноценное использование свойств кремния для преобразования и накопления энергии ограничено морфологией используемого кремния. Так, степень преобразования солнечной энергии составляет около 20%, а циклируемость литий-ионных источников тока с анодами на основе кремния ограничена 10-500 циклами по причине деградации микрокристаллического кремния и нарушения его электрического контакта с токоподводом. Для улучшения характеристик вышеуказанных устройств требуются микроразмерные пленки кремния с контролируемым содержанием микропримесей, а также упорядоченные микро- и наноразмерные осадки. Благодаря относительно низким температурам, простоте исполнения и доступности реагентов, перспективными для получения кремния необходимой морфологии признаны способы электролитического получения кремния из расплавленных солей. В настоящее время уже показана принципиальная возможность получения кремния из расплавленных фторидных, фторидно-хлоридных и хлоридно-оксидных электролитов с добавками K2SiF6 и SiO2 в виде нано-, микроразмерных и субмикронных сплошных пленок, дендритов, волокон, игл и трубок. Однако, несмотря на большой объем полученных экспериментальных и теоретических данных, разработки пока не вышли за рамки лабораторных испытаний. Все это обусловлено отсутствием систематических исследований и игнорированием ряда факторов (полупроводниковая природа кремния, химическая агрессивность используемых электролитов, термическая неустойчивость кремнийсодержащих ионов в расплавленных солях и др), определяющих закономерности электровосстановления и электроосаждения кремния. В заявленном проекте с использованием комплекса электрохимических и физико-химических методов анализа будут получены новые экспериментальные результаты, направленные на установление закономерностей электровосстановления кремнийсодержащих электроактивных ионов и определение параметров электрохимического синтеза кремния с заданной морфологией (тонкие пленки, субмикронные трубки, волокна, иглы), а также сплошных тонких пленок кремния с контролируемым содержанием примесей (B, Al, P, V) из расплавленных солей. Для этого будет изучена термическая устойчивость и кинетика электровосстановления кремнийсодержащих ионов в исследуемых расплавленных электролитах в области температур от 300 до 800°С в зависимости от состава электролита, концентрации кремнийсодержащих электроактивных ионов, материала катодной подложки и условий электролиза. Будет изучено влияние вышеперечисленных факторов на морфологию электролитических осадков кремния. Для исследований в качестве расплавленных электролитов были выбраны ранее не изученные малофторидные системы на основе LiCl, KCl и CsCl с добавкой K2SiF6, обеспечивающие понижение температуры электроосаждения кремния вплоть до 300°С, повышение термической устойчивости кремнийсодержащих ионов в расплаве и снижение химической агрессивности электролита. Полученные экспериментальные партии тонких пленок кремния будут исследованы на предмет их фоточувствительности, а партии кремния с развитой поверхностью (субмикронные волокна, трубки, иглы) будут использованы для изготовления и тестирования образцов литий-ионных источников тока.