Защита диссертации Кайруллакызы Аягоз Ибраева на соискание степени доктора философии (PhD) по образовательной программе «8D05306 - Химия»

В Евразийском национальном университете имени Л.Н. Гумилева состоится защита диссертации на соискание степени доктора философии (PhD) Кайруллакызы Аягоз Ибраева на тему «Разработка новых высокоэффективных электролитов для фотоэлектрических применений» по образовательной программе «8D05306 – Химия».

Диссертация выполнена на кафедре «Кафедра Химии» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева.

Язык защиты - на английском

Официальные рецензенты:

Тоқтарбай Жексенбек – PhD, профессор, НАО «Казахский Национальный педагогический университет имени Абая» (г. Алматы, Республика Казахстан);

Нажипқызы Меруерт – кандидат химических наук, профессор, НАО «Казахский Национальный университет имени аль-Фараби» (г. Алматы, Республика Казахстан).

Временные члены Диссертационного совета:

Мулай Рашид Бабаа - PhD, ассоциированный профессор, New Uzbekistan University (г. Ташкент, Республика Узбекистан);

Машенцева Анастасия Александровна – PhD, профессор, Технологическая лаборатория трековых мембран (г. Астана, Республика Казахстан);

Нурбекова Маржан Абдыжапаровна – кандидат химических наук, и.о. ассоциированного профессора кафедры химии, НАО «Казахский национальный женский педагогический университет» (г. Алматы, Республика Казахстан).

Научные консультанты:

Ташенов Ерболат Ордабекович – PhD, и.о.доцента кафедры химии НАО «Евразийский национальный университет им. Л. Н. Гумилева» (г. Астана, Республика Казахстан);

Robert J. O'Reilly – доктор философии (PhD), доктор медицины (MD), Лектор Школы науки и технологий Университета Новой Англии (г. Армидейл, Австралия).

Защита состоится: 13 мая 2026 года 10:00 часов в Диссертационном совете по направлению подготовки кадров «8D053 – Физические и химические науки» по образовательной программе «8D05306 – Химия» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева. Заседания диссертационного совета состоится в офлайн и онлайн формате.

Ссылка: https://teams.microsoft.com/meet/41298813559692?p=rrff7wbZbFXMIOYNRF 

Адрес: Астана, ул. Кажымукана, 13, аудитория 333.

Аннотация (рус.): АННОТАЦИЯ диссертационной работы Ибраевой Аягоз Кайруллакызы на тему «Разработка новых высокоэффективных электролитов для фотоэлектрических применений», представленной на соискание степени доктора философии (PhD) по образовательной программе «8D05306-Химия». Общая характеристика работы. Исследование направлено на разработку и создание высокоэффективных и стабильных квазитвёрдых и твёрдотельных электролитов на основе пористых структурных материалов, а также дырочно-транспортирующих материалов и неметаллических красителей на основе карбазола для применения в передовых фотоэлектрических устройствах. В работе проводится всесторонняя оценка синтезированных материалов, таких как металлоорганические каркасные структуры (МОК) и ковалентно-органические каркасные структуры (КОК), а также оптимизация полученных электролитов для эксплуатации как в помещениях, так и в наружных условиях. В основном исследуются электрохимические и фотоэлектрические характеристики изготовленных солнечных элементов, сенсибилизированных красителями (СЭСК). Актуальность темы исследования. Солнечные элементы, сенсибилизированные красителем (СЭСК), являются перспективной технологией третьего поколения фотовольтаики благодаря низкой себестоимости, механической гибкости и высокой эффективности при рассеянном и искусственном освещении. Основным ограничением их практического применения остаётся нестабильность жидких электролитов, обусловленная утечкой растворителя, коррозией и термическим разложением. В связи с этим современные исследования направлены на разработку квазитвёрдых и твёрдых электролитов, сочетающих высокую ионную проводимость с механической и химической стабильностью. Особый интерес представляют пористые каркасные материалы – металлоорганические и ковалентные органические каркасы (МОК и КОК), обладающие регулируемой пористостью и упорядоченными каналами для переноса зарядов. Их использование способствует снижению рекомбинации, повышению подвижности зарядов и увеличению долговечности СЭСК. Дополнительный потенциал повышения эффективности связан с применением карбазольных материалов и неметаллических красителей. Настоящая диссертационная работа посвящена созданию стабильных и эффективных электролитных систем для СЭСК и вносит вклад в развитие устойчивых фотоэлектрических технологий, соответствующих цели устойчивого развития ООН № 7 — «Доступная и чистая энергия». Цель исследования: Разработать и охарактеризовать электролитные материалы, повышающие стабильность и эффективность солнечных элементов, сенсибилизированных красителями. Задачи исследования: 1. Синтезировать новые пористые материалы, включая металлоорганические каркасы (MOК), ковалентно-органические каркасы (КОК) и соединения на основе карбазола (материалы для переноса дырок). 2. Провести детальную физико-химическую характеристику синтезированных материалов с использованием методов сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ), рентгеновской дифракции (РСА), термогравиметрического анализа (ТГА), анализа адсорбции–десорбции азота, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС), ИК-Фурье-спектроскопии и ЯМР-спектроскопии. 3. Оптимизировать концентрации добавок и состав электролита для повышения эффективности СЭСК. 4. Изготовить и протестировать СЭСК с твердыми, жидкими и квазитвердыми электролитными системами. Установить взаимосвязь между структурными характеристиками синтезированных материалов и электрохимическими и фотоэлектрическими свойствами устройств. Объект исследования: электролиты на основе окислительно-восстановительной пары иодид/трийодид (I⁻/I₃⁻) в солнечных элементах, сенсибилизированных красителем. Основные положения, выносимые на защиту: 1. Было показано, что использование производных карбазола для синтеза малых органических соединений позволяет получать новые структуры с потенциально высокими функциональными свойствами, которые применимы в качестве электрон-транспортирующих материалов и электролитов. На основе анализа литературных данных обоснована перспективность применения карбазола в синтезе малых органических соединений, как недостаточно изученного направления, открывающего новые возможности для разработки функциональных материалов для фотоэлектрических применений. 2. Показано, что введение MIL-125 в электролит на основе иодид/трийодидной пары приводит к увеличению коэффициента преобразования энергии с 9,14% до 10,51%, повышению плотности тока короткого замыкания с 18,01 до 20,97 мА•см-2, снижению сопротивления переноса заряда (1,79 против 1,99 Ом), увеличению ионной проводимости (3,36 против 3,02 мС•см⁻¹) и обеспечивает стабильную работу в течение 60 дней. Кроме того, при низкой освещённости (6000 лк) достигнута эффективность преобразования энергии 25,9%. 3. Установлено, что добавление ковалентного органического каркаса на основе триазина в жидкий электролит увеличивает коэффициент преобразования энергии с 8,87% до 10,81%, повышает плотность тока короткого замыкания с 15,85 до 18,60 мА•см-2, снижает сопротивление переноса заряда (3,0 против 5,5 Ом), улучшает ионную проводимость (2,01 против 1,11 мС•см-1) и кажущийся коэффициент диффузии (7,54 × 10-16 против 3,2×10-16 см2•с-1), а также обеспечивает стабильную работу устройства в течение 40 дней. При низкой освещённости (6000 лк) достигнута эффективность преобразования энергии 27,4%. Научная новизна: 1. В данной работе предложена простая, не содержащая полимеров стратегия преобразования традиционного жидкого йодидного электролита в стабильную квазитвёрдую систему с использованием металл–органического каркаса MIL-125 на основе титана. Это обеспечивает улучшенный перенос заряда, подавление утечки электролита и рекордную эффективность при внутреннем освещении в сенсибилизированных красителем солнечных элементах. 2. Впервые представлена ранее не исследованная стратегия электролитной инженерии, при которой ковалентный органический каркас на основе триазина непосредственно вводится в традиционный жидкий йодидный электролит. Такой подход обеспечивает одновременное улучшение ионного транспорта, редокс-стабильности, долговременной стабильности и эффективности при внутреннем освещении в сенсибилизированных красителем солнечных элементах. 3. Анализ после эксплуатации (SEM, XRD, FTIR, XPS) подтвердил, что каркасы МОК и КОК сохраняют свою кристаллическую и химическую целостность даже после длительного использования. 4. Систематическое исследование впервые объединяет и критически анализирует карбазол-содержащие молекулы в роли как сенсибилизаторов, так и материалов для переноса дырок в сенсибилизированных красителем солнечных элементах, устанавливая взаимосвязи «структура–свойства–эффективность» и определяя стратегии проектирования эффективных, стабильных и низкозатратных фотоэлектрических устройств. Теоретическая значимость работы формирует теоретическую основу для понимания процессов ионного транспорта и переноса заряда в СЭСК, модифицированных пористыми каркасными материалами. Исследование углубляет понимание взаимодействий типа донор–π–акцептор, согласования энергетических уровней и переноса заряда в органических полупроводниках. Полученные результаты способствуют формированию принципов молекулярного дизайна сенсибилизаторов и транспортных слоёв нового поколения, внося вклад в развитие материаловедения, электрохимии и науки о фотоэлектрических системах. Практическая значимость работы предлагает масштабируемый подход к разработке стабильных и высокоэффективных солнечных элементов, сенсибилизированных красителем с использованием электролитов на основе МОК- и КОК-материалов. Полученные материалы характеризуются низкой себестоимостью, долговременной эксплуатационной стабильностью и высокой эффективностью поглощения света как в помещениях, так и на открытом воздухе, что делает их перспективными кандидатами для фотоэлектрических технологий нового поколения и автономных электронных систем. Связь работы с планом государственных научных программ. Исследование выполнено при поддержке Комитета науки Министерства науки и высшего образования Республики Казахстан грант № AP23490505 Фотовольтаика для помещений на основе твердотельных сенсибилизированных красителем солнечных элементов усовершенствованной архитектуры и №АР14870560 Разработка недорогих двухсторонних фотогальванических элементов, сенсибилизированных красителем, для использования Интернет вещей. Личный вклад автора. Автор разработала, синтезировала и оптимизировала МОК (MIL-125), триазинсодержащие ковалентные органические каркасы (КОК) и карбазолсодержащие материалы для транспорта дырок и неметаллические красители. Ею были выполнены разработка электролитов, характеристика материалов, изготовление и тестирование СЭСК, а также установлены взаимосвязи между структурой, свойствами и эффективностью устройств. Автор также подала заявку на патент, подготовила и отредактировала публикации, а также координировала работу с научными руководителями и соавторами на всех этапах исследования. По научной статье «Engineering stable electrolytes with covalent organic frameworks to boost dye-sensitized solar cell efficiency» вклад автора включает: подготовку первоначального текста статьи, визуализацию, валидацию, разработку методологии, проведение исследования, формальный анализ, курирование и обработку данных, концептуализацию исследования. По второй научной статье «Enhancing the stability and efficiency of dye-sensitized solar cells with MIL-125 metal-organic framework as an electrolyte additive» вклад автора включает: концептуализацию, разработку методологии, программное обеспечение, валидацию, формальный анализ, проведение исследования, обеспечение ресурсами, курирование и обработку данных, визуализацию, подготовку первоначального текста статьи. По обзорной статье «Advancements in carbazole-based sensitizers and hole-transport materials for enhanced photovoltaic performance» вклад автора включает: концептуализацию, визуализацию, проведение исследования, формальный анализ, курирование и обработку данных, подготовку первоначального текста. Публикации. Результаты диссертационной работы подтверждаются тремя статьями, опубликованными в рецензируемых журналах, индексируемых в базах данных Scopus и Web of Science, одной заявкой на патент на полезную модель и рядом докладов на международных научных конференциях. Список публикаций по результатам исследования: 1. Ayagoz Ibrayeva, Diana Suleimenova, Zulfiya Imanbekova, Urker Abibulla, Bakhytzhan Baptayev, Mannix P. Balanay. Engineering stable electrolytes with covalent organic frameworks to boost dye-sensitized solar cell efficiency// Materials Today Energy (2025) Vol. 54, Article № 102088. https://doi.org/10.1016/ j.mtener.2025.102088. Статья выявлена в базах данных Web of Science Core Collection и Scopus. В момент ее опубликования в 2025 году журнал «Materials Today Energy» имеет Impact Factor за 2024 год равный 8,6 и квартиль по химии, физики, энергетике и топливу, материаловедению, междисциплинарным – Q1. Имеет CiteScore за 2024 год равный 16,7, процентиль по ядерной энергетике и инженерии – 96, по энергетической инженерии и энергетическим технологиям-94, по топливным технологиям – 92, по материаловедению (разное) – 92, по возобновляемой энергии, устойчивому развитию и окружающей среде – 89. 2. Ayagoz Ibrayeva, Zulfiya Imanbekova, Urker Abibulla, Yerbolat Tashenov, Bakhytzhan Baptayev, Mannix P. Balanay. Enhancing the stability and efficiency of dye-sensitized solar cells with MIL-125 metal-organic framework as an electrolyte additive//Scientific Reports (2025) Vol. 15, Article № 5883. https://doi.org/10.1038/s41598-025-89913-1. Статья выявлена в базах данных Web of Science Core Collection и Scopus. В момент ее опубликования в 2025 году журнал «Scientific Reports» имеет Impact Factor за 2024 год равный 3,9, и квартиль по междисциплинарным наукам – Q1. Имеет CiteScore за 2024 год равный 6,7, процентиль по междисциплинарному – 89. 3. Ayagoz Ibrayeva, Urker Abibulla, Zulfiya Imanbekova, Bakhytzhan Baptayev, Robert J. O’Reilly, Mannix P. Balanay. Advancements in carbazole-based sensitizers and hole-transport materials for enhanced photovoltaic performance// Molecules (2024) Vol.29, Iss.21, Article №5035. https://doi.org/10.3390/molecules29215035. Статья выявлена в базах данных Web of Science Core Collection и Scopus. В момент ее опубликования в 2024 году журнал «Molecules» имел Impact Factor 4,2 за 2023 год, и квартиль по химии, мультидисциплинарной, по биохимии и молекулярной биологии - Q2. Имел CiteScore за 2023 год равный 7,4, процентиль по химии (разное)-83, процентиль по органической химии – 81, процентиль по физической и теоретической химии – 80, процентиль по аналитической химии – 78, процентиль по фармацевтической науке – 81, процентиль по открытию наркотиков – 73, процентиль по молекулярной медицине – 68. 1 патент на полезную модель РК: Diana Suleimenova, Ayagoz Ibrayeva, Bakhytzhan Baptayev, Mannix P.Balanay. Способ улучшения стабильности и эффективности солнечных элементов, сенсибилизированных красителем. – KZ Патент №11169 (19 сентябрь 2025). Список работ, представленных на международных конференциях: 1. Ibrayeva A., Suleimenova D., Imanbekova Z., Baptayev B., Balanay M.P. Metal-organic frameworks and covalent organic frameworks as electrolyte enhancers: a pathway to high-efficiency and stable DSSCs // Silk Road Chemistry: Modern Chemical Technologies and Science: Collection of abstracts of the 1st International Scientific and Practical Conference dedicated to the 100th anniversary of Academician Ye.A. Buketov. – Karaganda: Karaganda National Research University named after Academician Ye.A. Buketov, 2025. – September 25–27. 2. Ibrayeva A., Suleimenova D., Imanbekova Z., Abibulla U., Baptayev B., Balanay M.P. A new avenue for enhancing DSSC performance using covalent organic frameworks in electrolytes // The 4th International Symposium on Emerging Materials and Devices (ISEMD-2025). – Astana: Nazarbayev University, National Laboratory Astana, 2025. – May 28–30. 3. Ibrayeva A., Imanbekova Z., Abibulla U., Baptayev B., Balanay M.P. Enhancing dye-sensitized solar cells efficiency and stability with Ti-MOF-based quasi-solid-state electrolytes // 12th International Conference on Nanomaterials & Advanced Energy Storage Systems (INESS-2024). – Astana: Nazarbayev University, 2024. – August 7–9. 4. Ibrayeva A., Suleimenova D., Imanbekova Z., Abibulla U., Baptayev B., Balanay M.P. Covalent organic frameworks as electrolyte enhancers: a pathway to high-efficiency DSSCs // ACS Fall 2025 National Meeting. – Washington, DC, USA, 2025. – August 17–21 (digital participation). 5. Ibrayeva A., Imanbekova Z., Baptayev B., Balanay M.P. MOF-based electrolytes: a paradigm shift in enhancing the efficiency and stability of DSSCs // NU Annual Research Conference (NUARC-2024). – Astana: Nazarbayev University, 2024. – September 19–21. 6. Ibrayeva A., Suleimenova D., Baptayev B., Balanay M.P. Novel and cost-effective materials for dye-sensitized solar cells // The 2nd International Symposium on Emerging Materials and Devices (ISEMD-2024). – Astana: Nazarbayev University, National Laboratory Astana, 2024. – June 25–27.

Диссертация

Список научных трудов

Отзыв научного консультанта

Отзыв зарубежного консультанта

Заключение комиссии по этической оценке исследований

Отзыв официального рецензента

Отзыв официального рецензента