Эффективные красители для солнечных элементов создали в ИОНХ РАН

Ученые из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН совместно с коллегами из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН и Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина РАН синтезировали органические молекулы-антенны, присоединение которых к иридию многократно усилило поглощение света полученных металлоорганических соединений по сравнению с их индивидуальными компонентами. Разработка перспективна для альтернативной энергетики. Результаты работы, поддержанной Российским научным фондом (№ 22-23-01171), [[опубликованы]] в журнале Dalton Transactions.

Металлоорганические соединения иридия известны своими уникальными оптическими свойствами и способностью ярко люминесцировать под действием электрического поля, благодаря чему они нашли применение в качестве компонентов органических светоизлучающих диодов – основы современных дисплеев. При этом гигантским преимуществом соединений иридия является то, что при незначительном изменении их состава и структуры они могут решать и обратную задачу – улавливать солнечное излучение и участвовать в его преобразовании в электрический ток, то есть работать в солнечных батареях.

Для более эффективного поглощения солнечного света и выработки большего количества электричества соединения иридия модифицируют с применением органических молекул-антенн, содержащих структурные фрагменты, подобные тем, что присутствуют в молекулах хлорофилла или каротина. К сожалению, заманчивая идея использовать подход, отточенный миллиардами лет эволюции живой природы, для конструирования стабильных и эффективных иридиевых красителей для солнечной энергетики до сих пор не давала должного результата, главным образом, из-за отсутствия понимания взаимосвязей между размерами и строением «антенн», устойчивостью соединений и их оптическими свойствами.

Химикам из ведущих московских институтов удалось многократно усилить поглощение света соединениями иридия за счет их модификации органическими молекулами-антеннами и описать особенности этого процесса.

Работу прокомментировал один из соавторов статьи, старший научный сотрудник Лаборатории кристаллохимии и рентгеноструктурного анализа ИОНХ РАН, кандидат химических наук Станислав Беззубов: «Мы разработали и в одну стадию синтезировали серию антенных молекул на основе имидазола, производные которого широко распространены в природе. Все полученные органические молекулы, как и многие естественные пигменты, содержат замкнутую систему двойных связей углерод-углерод, но при этом они остаются бесцветными до взаимодействия с иридием, после чего и проявляются их антенные свойства. На основе изучения серии иридиевых красителей с применением современных инструментальных методов, в первую очередь, рентгеноструктурного анализа и электронной спектроскопии, мы установили, до каких пределов возможно увеличить размеры молекул-антенн с сохранением приемлемой для работы в солнечных батареях устойчивости соединений иридия. Сопоставление данных о структуре красителей с измеренными оптическими характеристиками позволило найти баланс между структурой антенн, стабильностью и глубиной окраски соединений иридия, на основе чего были выявлены и успешно протестированы в солнечных батареях наиболее перспективные из полученных соединений. Кроме того, мы научились тонко подстраивать цвет красителей за счет введения в структуру антенн электрон-дефицитных или электрон-избыточных фрагментов».
Найдя ключ к созданию стабильных интенсивно окрашенных соединений иридия, исследователи планируют в дальнейшем использовать «подсмотренные» у природы принципы для конструирования еще более эффективных красителей, а также улучшить качество сборки устройств.

Схема. Соединения иридия, содержащие органические фрагменты с расширенной сопряженной системой, активно поглощают свет и участвуют в его эффективном преобразовании в электрический ток в солнечных батареях (автор иллюстрации – к.х.н. Станислав Беззубов)

Фото. Управление цветом красителя посредством рационального дизайна органических хромофорных фрагментов (автор фото – к.х.н. Станислав Беззубов)