Научная
деятельность
Университет ИТМО

Меню

14.575.21.0054 от «27» июня 2014 года

«Исследование новых технических возможностей для создания экологически чистого генератора водорода с использованием фотоэлектрохимического элемента на основе наноструктур полупроводниковых нитридов III группы».

Номер соглашения о предоставлении субсидии: 14.575.21.0054 (идентификатор прикладных научных исследований RFMEFI57514X0054).

ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 – 2020 годы».

Период выполнения: 27.06.2014 - 31.12.2016

Индустриальный партнер: Общество с ограниченной ответственностью "МОНТЭЛКОМ".

1. Цель проекта

Основная цель проекта заключается в наработке базы экспериментальных данных для установления требований к характеристикам, конструкции и методикам изготовления структур нитридов металлов III группы необходимых для разработки технологии создания полупроводникового генератора водорода с повышенной эффективностью.

2. Результаты проекта

На первом этапе выполнения проекта:

-        проведен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, касающейся технических средств в области технологий получения водорода фотоэлектрохимическим способом;

-        разработаны и изготовлены тестовых экспериментальных образцов структур (слоев GaN на подложках сапфира);

-        проведены патентные исследования в области получения водорода электролизом;

-        проведены работы по обоснованию, выбору и приобретению материалов и комплектующих для изготовления экспериментальных образцов структур;

-        проведено численное моделирование и оптимизация конструкции экспериментальных образцов структур (слоев GaN на подложках сапфира).

На втором этапе выполнения проекта:

-        обоснован выбор методов получения водорода электролизом с использованием ФЭХЭ;

-        разработаны требования к номенклатуре параметров экспериментального образца генератора водорода;

-        разработана лабораторная методика пост-ростового нано-структурирования поверхности образцов в виде колонок диаметром 100-300 нм и высотой до 1500 нм;

-        разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальные образцы структур, ФЭХЭ и генератор водорода;

-        проведено компьютерное моделирование условий выращивания экспериментальных образцов структур (слоев GaN) для уточнения параметров процесса их изготовления.

На третьем этапе выполнения проекта:

-        изготовлены экспериментальные образцы структур, фотоэлектрохимического элемента и генератора водорода;

-        разработана программа и методики экспериментальных исследований процесса выращивания экспериментальных образцов структур (одиночных слоев GaN, как нелегированных, так и легированных Si и Mg, а также структур GaN/InGaN на подложках из сапфира и кремния методов хлоридно-гидридной газофазной эпитаксии);

-        разработана программа и методики экспериментальных исследований влияния химического состава электролита на количественный выход молекулярного водорода;

-        разработана программы и методики испытаний экспериментальных образцов структур, фотоэлектрохимического элемента и генератора водорода;

-        разработан и изготовлен макет генератора водорода с целью проверка правильности принятых технических решений по его конструкции и параметрам;

-        разработана программа и методики испытаний макета генератора водорода;

-        испытан макет генератора водорода;

-        разработана лабораторная технологическая инструкция изготовления экспериментальных образцов структур.

На четвертом этапе выполнения проекта:

-        проведены экспериментальные исследования экспериментальных образцов структур (выращивание одиночных слоев GaN, как нелегированных, так и легированных Si и Mg, а также структур GаN/InGaN на подложках из сапфира и кремния методом хлоридно-гидридной газофазной эпитаксии).

-        проведены испытания экспериментальных образцов структур, в том числе измерения технических параметров выращиваемых структур для контроля и оптимизации их структурных, оптических и электрических свойств:

-        измерение шероховатости и плотности дефектов;

-        измерение кривых качания;

-        измерение вольт-емкостных (C-V) характеристик;

-        измерение эффекта Холла;

-        измерение размеров наноколонок, сформированных на поверхности слоев и структур.

-        проведены экспериментальные исследования влияния химического состава электролита на количественный выход молекулярного водорода;

-        проведены испытания экспериментальных образцов фотоэлектрохимических элементов и генератора водорода, в том числе измерения их технических параметров;

-        проведено обоснование, выбор и приобретение материалов и комплектующих для проведения экспериментальных исследований и испытаний.

На пятом этапе выполнения проекта:

-        проведена технико-экономическая оценка экспериментальных образцов структур, ФЭХЭ и генератора водорода;

-        разработаны рекомендации и предложения по постановке на производство генератора водорода;

-        разработан проект технического задания на проведение ОКР по теме «Разработка генератора водорода с использованием фотоэлектрохимического элемента на основе структур полупроводниковых нитридов III группы»;

-        осуществлено участие в выставках и конференциях по демонстрации и популяризации результатов и достижений ПНИ;

-        проведены маркетинговые исследования.

В ходе выполнения прикладных научных исследований были опубликованы 12 статей в научных изданиях, индексируемых базами данных WebofScienceи Scopus.

3. Охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности полученные в рамках прикладного научного исследования

1. Способ: заявка № 2015151999 от 03.12.2015 г. "Способ резки хрупких материалов", РФ.

2. Полезная модель: заявка № 2016149438 от 15.12.2016 г. , "Устройство для измерения показателя преломления", РФ.

4. Назначение и область применения результатов проекта

Водород рассматривается как экологически чистое топливо, не приводящее к образованию парникового газа, которое может использоваться в двигателях внутреннего сгорания, теплообменниках и генераторных установках различной мощности, производящих электроэнергию. Результаты ПНИ могут найти свое применение в разработке генератора водорода и водородного топливного элемента, способного в перспективе заменить двигатели внутреннего сгорания и обеспечить подачу электрической мощности потребителям, как в стационарном, так и в передвижном варианте. Результатом выполнения данной перспективной ПНИ является появление возможности использования предлагаемой технологии для реализации на ее основе – и на примере прототипов (макетов) устройств, также являющихся результатом разработки, - экологически чистых и весьма дешевых способов получения чистого водорода с использованием энергии солнечного света.