Сотрудники химического факультета МГУ с коллегами из Института органической химии им. Н. А. Зелинского РАН разработали и реализовали подход к уменьшению ширины запрещенной зоны гибридных галогенметаллатов для применения в бессвинцовой фотовольтаике. Это исследование открывает перспективу создания экологически безопасных и эффективных солнечных батарей нового поколения. Оригинал работы опубликован в журнале Dalton Transactions.
Солнечный свет — один из источников «зеленой» энергии, которую получают с помощью фотовольтаики: специальные материалы (полупроводники) ловят свет и превращают его в электричество. Эффективность зависит от того, сколько света материал может поглотить и сколько энергии уйдет в тепло. Важный параметр — ширина запрещенной зоны: это минимальная энергия, нужная электрону, чтобы начать проводить ток. Лучше всего процесс работает, когда этот показатель — в пределах 1,3−1,5 эВ. Поэтому ученые ищут подходящие полупроводники. Например, хорошо справляются галогенметаллаты на основе свинца — они преобразуют более 26% энергии (при максимуме в 33,7%). Но такие соединения токсичны, поэтому нужны безопасные аналоги.
Очевидное решение заменить свинец на гораздо менее токсичное олово имело лишь умеренный успех. Из-за низкой химической стабильности производных Sn2+ они легко окисляются на воздухе, а в анаэробных условиях склонны к диспропорционированию до Sn0 и Sn4+ при освещении. Вместо этого мы обратились к гибридным галогенидам сурьмы и висмута — они обладают гораздо большей стабильностью и низкой токсичностью. Однако их ключевой недостаток — слишком высокие значения ширины запрещенной зоны. Для большинства галогенидных комплексов сурьмы и висмута характерны значения 2 эВ и выше. Поэтому основной задачей для нас стала разработка методов уменьшения ширины запрещенной зоны до приемлемых значений.
Ученые придумали новый способ настраивать ширину запрещенной зоны в соединениях висмута и сурьмы. Раньше для этого использовали другие методы — например, добавляли особые частицы или молекулы. Но из‑за них вещества становились менее устойчивыми. Новый подход позволяет добиться нужного результата и при этом сохранить стабильность соединений.
Мы разработали и реализовали подход к оптимизации ширины запрещенной зоны сложных галогенидов висмута и сурьмы, основанный на формировании межщелевых состояний за счет комбинации в одном соединении разновалентных металлов. В ходе систематических исследований галогенометаллатов сурьмы, проводившихся при активном участии студентки 3 курса Ангелины Клыковой, были выявлены особенности поведения таких систем, что позволило обосновать перспективность формирования смешанно-валентных соединений и перейти к их целенаправленному синтезу, а также выделить соединения с требуемой шириной запрещенной зоны.
В результате исследователям удалось успешно синтезировать два новых гибридных бромметаллата, содержащих элементы 15-й группы Sb и Bi, в которых одновременно реализуются степени окисления +3 и +5.
Слабые Br-Br взаимодействия обеспечивают связывание анионной субструктуры, а водородные связи соединяют органические катионы и неорганические анионы в трехмерный каркас.
В итоге ученым удалось достигнуть снижения ширины запрещенной зоны до 1.27−1.58 эВ.
Предложенный подход к формированию межщелевых состояний открывает новые возможности для направленного дизайна галогенометаллатов с заданной шириной запрещенной зоны и может быть использован при создании эффективных светопоглощающих материалов для фотовольтаических устройств.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что в Сибири нашли бактерию-экстремала для добычи металлов.