Учёные химического факультета МГУ совместно со специалистами Института органической химии имени Н.А. Зелинского РАН представили новый подход к созданию перспективных материалов для бессвинцовой солнечной энергетики. Исследователям удалось разработать метод, позволяющий уменьшить ширину запрещённой зоны гибридных галогенометаллатов без ухудшения их химической стабильности. Полученные результаты открывают возможности для разработки экологически безопасных солнечных батарей нового поколения, способных сочетать высокую эффективность с отсутствием токсичного свинца.

Солнечная энергетика остаётся одним из наиболее перспективных способов получения возобновляемой энергии. В её основе лежит принцип фотовольтаики, при котором специальные полупроводниковые материалы поглощают солнечный свет и преобразуют его в электрический ток. Эффективность такого преобразования определяется сразу несколькими параметрами, однако одним из ключевых является ширина запрещённой зоны. Именно она определяет, какая часть солнечного спектра будет эффективно использоваться для генерации электроэнергии, а какая превратится в тепло.

Для достижения максимального коэффициента полезного действия оптимальное значение ширины запрещённой зоны должно составлять примерно 1,3–1,5 эВ. Поэтому поиск новых материалов с подобными характеристиками является одной из важнейших задач современной науки. На сегодняшний день высокими показателями обладают свинецсодержащие галогенометаллаты, эффективность преобразования энергии которых превышает 26% при теоретическом пределе около 33,7%. Однако серьёзная токсичность соединений свинца существенно ограничивает их массовое применение и делает особенно актуальным поиск более безопасных аналогов.

«Замена свинца значительно менее токсичным оловом оказалась лишь частично успешной. Производные Sn²⁺ обладают недостаточной химической стабильностью: они легко окисляются на воздухе, а при отсутствии кислорода и воздействии света могут распадаться на соединения с другими степенями окисления. Поэтому мы сосредоточились на гибридных галогенидах сурьмы и висмута, которые отличаются большей устойчивостью и значительно меньшей токсичностью. Основной проблемой этих материалов была слишком большая ширина запрещённой зоны, и именно её снижение стало нашей главной задачей», — рассказал руководитель исследования, заведующий кафедрой неорганической химии химического факультета МГУ, член-корреспондент РАН Андрей Шевельков.

Авторы исследования предложили оригинальную методику оптимизации ширины запрещённой зоны для сложных галогенидов сурьмы и висмута. В отличие от существующих решений, основанных на конденсации анионов или введении молекул галогена и полигалогенидных ионов, новая технология не приводит к ухудшению химической стабильности материалов. Благодаря этому удалось сохранить их долговечность и одновременно приблизить электронные характеристики к оптимальным значениям для применения в солнечной энергетике.

«Нами был разработан подход, основанный на формировании межщелевых состояний благодаря сочетанию в одном соединении металлов с различными степенями окисления. Во время последовательных исследований галогенометаллатов сурьмы, в которых активно участвовала студентка третьего курса Ангелина Клыкова, удалось выявить закономерности поведения подобных систем. Это позволило подтвердить перспективность смешанно-валентных соединений, перейти к их целенаправленному синтезу и получить материалы с требуемыми характеристиками ширины запрещённой зоны», — отметил Андрей Шевельков.

В результате проведённых исследований были синтезированы два новых гибридных бромметаллата, содержащие элементы пятнадцатой группы — сурьму (Sb) и висмут (Bi). Особенность этих соединений заключается в том, что в их структуре одновременно присутствуют степени окисления +3 и +5. Такая комбинация позволила сформировать необходимые электронные состояния, влияющие на свойства материала.

«Слабые взаимодействия между атомами брома обеспечивают связывание анионной части структуры, тогда как водородные связи объединяют органические катионы и неорганические анионы в единый трёхмерный каркас», — пояснила старший научный сотрудник лаборатории направленного неорганического синтеза химического факультета МГУ Татьяна Шестимерова.

Практический результат работы оказался весьма значительным. Учёным удалось уменьшить ширину запрещённой зоны новых материалов до диапазона 1,27–1,58 эВ, который практически соответствует оптимальным значениям для эффективного преобразования солнечной энергии в электричество. Это означает, что разработанные соединения обладают высоким потенциалом для использования в качестве светопоглощающих материалов в современных фотоэлектрических устройствах.

По мнению исследователей, предложенный принцип формирования межщелевых состояний способен стать универсальным инструментом при проектировании новых галогенометаллатов с заранее заданными электронными характеристиками. В перспективе такая технология позволит создавать безопасные, химически стабильные и высокоэффективные материалы для солнечных батарей нового поколения, которые смогут заменить существующие свинецсодержащие аналоги без потери эффективности и с существенно меньшим воздействием на окружающую среду.