Химики представили иридиевые красители для «фотосинтезирующих» солнечных батарей

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.