28 April 2023, 12:00 Анна Солдатенко

Химики представили иридиевые красители для «фотосинтезирующих» солнечных батарей

Химики представили иридиевые красители для «фотосинтезирующих» солнечных батарей
Молекулярные структуры полученных комплексов

Ячейка Гретцеля, или сенсибилизированный красителем солнечный элемент, — перспективное устройство для получения энергии из солнечного света. Принцип его работы часто сравнивают с фотосинтезом растений — конструкция тоже содержит окрашенное вещество, из которого под действием света выбивается электрон. Затем он отправляется на полупроводник и дальше на прозрачный электрод, откуда попадает во внешнюю цепь, генерируя электрический ток. Ячейки Гретцеля достаточно дешевы, и могут достигать больших значений эффективности в рассеянном свете, однако краситель в них должен выдерживать нагревание и воздействие излучения. Традиционные комплексы рутения и органические молекулы зачастую страдают от недостаточной стабильности, и потому нужны альтернативные варианты.

В этом качестве могут выступать циклометаллированные комплексы иридия(III), которые также являются популярным объектом исследований в органических светоизлучающих диодах, в фотодинамической терапии, биоимиджинге, фотокатализе и сенсорике. Такие комплексы выделяются в том числе своей вариабельностью оптических и электрохимических свойств, достигаемой изменением заместителей в циклометаллированных лигандах. Соответственно, их необходимо адаптировать к использованию в солнечных элементах. В ячейках Гретцеля важно обеспечить подходящую локализацию заряда для его эффективного переноса с красителя на полупроводник, а также максимально возможное поглощение света в видимой области.

Группа российских исследователей под руководством Беззубова Станислава синтезировали серию гетеролептических комплексов иридия (III) с циклометаллированными бензимидазольными лигандами и вспомогательным дикетонатным лигандом, содержащим «якорную» группу для обеспечения связи красителя с полупроводниковой основой ячейки. В бензимидазолах была осуществлена вариация полиароматических фрагментов, и показано, что от их структуры зависит фотофизическое и окислительно-восстановительное поведение комплексов.

«Синтезированные в данной работе комплексы продемонстрировали улучшенное по сравнению с иридиевыми аналогами светопоглощение — как раз за счет расширения сопряженной системы лигандов. Их оптические свойства сохранились и на поверхности фотоанодов: показатели эффективности были сравнимы с таковыми для других сенсибилизаторов на основе иридия», — рассказывает один из соавторов Даниил Смирнов.

Химики также обратили внимание на тот факт, что при расширении сопряженной системы лигандов не только улучшаются фотофизические характеристики, но и возрастает стерическое напряжение, то есть объем лигандов начинает сильнее влиять на координационную сферу иридия. В «пограничных» случаях, когда величина таких напряжений оказывается слишком большой, происходит перестройка его геометрии и обычные пятичленные металлоциклы заменяются на шестичленные. Более того, в такой системе может даже образоваться чрезвычайно редкий моно-циклометаллированный комплекс иридия(III).

«В целом, работа демонстрирует, что размер и положение сопряженной системы циклометаллированных лигандов являются ключевыми факторами, определяющими не только оптические и электрохимические свойства соответствующих комплексов иридия(III), но и позволяющими менять их строение и даже состав, что для таких объектов — большая редкость. Результаты данного исследования могут быть использованы для дизайна эффективных и стабильных красителей для солнечных элементов, а еще и для открытия возможных синтетических путей к комплексам нестандартных состава и структуры», — подводит итог первый автор Сергей Татарин.

Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ), грант 22-23-01171.

News article profiles

Bezzubov Stanislav
PhD in Chemistry
Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences
Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences
69 publications,  484 citations
h-index: 12
Research interests
"Smart" materials
Coordination Chemistry
Crystal Chemistry
Tatarin Sergei
🥼 🤝
Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences
Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences
15 publications,  73 citations
h-index: 5
Research interests
Coordination Chemistry
Crystal Chemistry
Organometallic Chemistry
Smirnov Daniil
Lomonosov Moscow State University
Lomonosov Moscow State University
10 publications,  48 citations
h-index: 4
Research interests
3D printing
Additive technologies
Arbitration
Chemical Technology
Coordination Chemistry
Cryptocurrencies
Organic Chemistry
Taydakov Ilya
🥼 🤝
DSc in Chemistry
P.N. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences
P.N. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences
184 publications,  1 737 citations
h-index: 21
Research interests
1,3-Diketones
Coordination Chemistry
Coordination chemistry of f-elements
Heterocyclic compounds
Lanthanides
Luminescence
Luminescent spectroscopy of lanthanides coordination compounds
Molecular spectroscopy
Organic synthesis
Rare-earth elements
Emets Victor
9 publications
h-index: 0
Metlin Mikhail
🥼 🤝
PhD in Physics and Mathematics
Bauman Moscow State Technical University
Bauman Moscow State Technical University
P.N. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences
P.N. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences
33 publications,  267 citations
h-index: 9
Research interests
Charge transfer complexes
Coordination Chemistry
Fluorescence
IR spectroscopy
Lanthanides
Luminescent materials
Molecular spectroscopy
Optics

News article publications

Read also

Российские ученые нашли способ повысить эффективность фотосенсибилизаторов
Ученые из ИОНХ РАН совместно с коллегами из ИФХЭ РАН провели систематическое исследование, направленное на решение проблемы рационального дизайна комплексов с заданными оптическими и электрохимическими свойствами. Исследователи изучили большую серию бис-циклометалированных комплексов иридия(III) с 2-арилбензимидазольными лигандами и выявили ключевые черты для повышения эффективности красителей в солнечных элементах на их основе.
Chemistry of coordination compounds
Electrochemistry
Inorganic chemistry
Quantum Chemistry
5 December 2023
Новые соединения палладия с антимикобактериальной и противораковой активностью
Ученые из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Института элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН, Института общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН, Центрального научно-исследовательского института туберкулёза и Федерального научно-клинического центра физико-химической медицины им. Ю.М. Лопухина синтезировали серию соединений палладия с антимикобактериальной и противораковой активностью. Новые комплексы палладия обладают значительно более высокой селективностью по сравнению с широко применяемым противораковым препаратом цисплатином.
Cancer Research
Chemistry of coordination compounds
Oncology
19 October 2023
Учёные разработали гидрогели, затвердевающие при воздействии света
Ученые предложили новый подход к синтезу альгинатных гидрогелей — упругих материалов на основе полимеров из водорослей. Их можно использовать в качестве клея, а также основы для 3D-печати медицинских изделий. Согласно авторской методике, чтобы получить гидрогели с регулируемой прочностью, нужно просто выдержать на свету водный раствор альгината и комплексного соединения железа.
"Smart" materials
Chemistry of coordination compounds
Inorganic chemistry
17 August 2023
Исследователи из ИТМО и МФТИ добились сверхрассеяния на наночастицах
Международный коллектив физиков показал, что определенная форма позволяет наночастицам быть в электромагнитном смысле больше своих геометрических размеров. Обнаруженный эффект поможет в создании биологических сенсоров, материалов для солнечных батарей и элементов оптических квантовых компьютеров.
Laser physics
Photonics
Photophysics
14 August 2023
Новые комплексы иридия предлагается использовать для лечения рака
Соединения обладают ярко выраженными окислительно-восстановительными свойствами и могут генерировать активные вещества, способные уничтожать опухолевые клетки
Chemistry of coordination compounds
Synthesis
24 July 2023
Из соды и гидроксида платины получился катализатор для разложения гидразина
В результате реакции образовалось несколько вариантов устойчивых карбонатных комплексов платины, которые и послужили основой для будущих катализаторов. Последние оказались в 23 раза эффективнее своих аналогов
Catalysis
Chemistry of coordination compounds
New techniques
12 July 2023