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.