Комплексы железа успешно собирают солнечный свет

В настоящее время многие материаловеды пытаются создать устройства для конверсии энергии или устройства, накапливающие энергию, используя материалы, распространенные в Земной коре. Очевидно, что такие устройства будут стоить дешевле, и это обстоятельство, в перспективе, может понизить стоимость электроники и солнечных батарей.

В новой работе исследователи из Швеции сообщают о разработке железосодержащего комплекса, который может поглощать солнечную энергию и со значительной эффективностью передавать ее на частицы полупроводника. Изученные процессы представляют собой первые этапы в получении электроэнергии с помощью хорошо известного класса фотогальванических устройств, известных как сенсибилизированные красителями солнечные батареи [dye-sensitized solar cells (DSSC)].

Cенсибилизированные красителями солнечные батареи и их близкие родственники – перовскитные солнечные батареи – привлекают внимание благодаря хорошему соотношению производительность/цена, которое может позволить решить проблемы растущего энергопотребления путем переработки практически безграничной энергии Солнца.

Облучение светом сенсибилизированных красителями солнечных батарей приводит к возбуждению электронов в слое светопоглощающих молекул. Эти молекулы – красители или сенсибилизаторы – способствуют переносу возбужденных электронов на частицы полупроводника, например – диоксида титана, с которыми сенсибилизаторы связаны. Уже с полупроводника электроны мигрируют к электродам, обеспечивая возникновение электрического тока.

Наиболее эффективным типом сенсибилизаторов, который используется в настоящее время, являются рутенийсодержащие соединения, включая комплексы с полипиридиновыми лигандами. Однако дороговизна рутения и его малое содержание в земной коре наряду с токсичностью побуждает исследователей искать ему подходящую замену, рассматривая в качестве альтернативы соединения гораздо более распространенного и дешевого железа.

Изучение возможности применения производных железа в качестве фотосенсибилизаторов проводится, однако исследованные к настоящему времени системы, включающие и полипиридиновые комплексы железа, отличаются другими недостатками. Так, при фотоактивации эти соединения дают небольшое число возбужденных электронов, да и их время жизни слишком мало для того, чтобы осуществить перенос заряда на диоксид титана.

Группа химиков из Университета Лунда, работающая под руководством Вилли Сундсторма (Villy Sundström) и Кеннета Варнмарка (Kenneth Wärnmark), нашла железосодержащий сенсибилизатор, железо в котором стабилизировано азотсодержащим гетероциклическим карбеновым лигандом, позволяющим ликвидировать недостатки железосодержащих комплексов. Время жизни нового соединения в возбужденном состоянии примерно в тысячу раз больше времени жизни полипиридиновых комплексов железа, причем доля электронов, передающихся на полупроводник, для нового комплекса составляет 92% (для рутениевых комплексов на полупроводник поступает почти 100% электронов). Последнее обстоятельство связано с тем, что новый комплекс железа передает на диоксид титана электроны не в короткоживущем высоковозбужденном состоянии, а в низковозбужденном состоянии, которое существует в течение более длительного времени.