2 апрель 2026
Сотрудники химического факультета МГУ с коллегами из института органической химии им. Н.А. Зелинского РАН разработали и реализовали подход к уменьшению ширины запрещённой зоны гибридных галогенметаллатов для применения в бессвинцовой фотовольтаике. Оригинал работы опубликован в высокорейтинговом журнале Dalton Transactions (IF 3.3): DOI: 10.1039/d5dt02874d.
Солнечный свет можно использовать для получения возобновляемой "зелёной" энергии. В основе этого процесса лежит фотовольтаика — метод выработки электроэнергии с помощью полупроводников. Они способны улавливать световые волны и преобразовывать их в электрический ток. Эффективность такого процесса зависит от того, какую часть спектра способен поглотить полупроводник, и какая часть поглощённого излучения перейдёт в тепло. Значительное влияние на это оказывать ширина запрещённой зоны — минимальная энергия, необходимая для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости полупроводника. Для максимальной эффективности преобразования солнечного света в электроэнергию этот показатель должен находиться в диапазоне 1.3–1.5 эВ. По этой причине крайне важна разработка новых полупроводниковых материалов, удовлетворяющих этому требованию. К примеру, такому критерию соответствуют светопоглощающие галогенметаллаты на основе свинца. Они показывают высокую эффективность преобразования энергии — более 26% при теоретическом максимуме в 33.7%. Это делает их крайне перспективными для фотовольтаики, однако высокая нейротоксичность соединений свинца заставляет искать более безопасные альтернативы.
"Очевидное решение заменить свинец на гораздо менее токсичное олово имело лишь умеренный успех, — объясняет актуальность работы её руководитель, член-корреспондент РАН Андрей Шевельков. — 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 запрещённой зоны. Для большинства галогенидных комплексов сурьмы и висмута характерны значения 2 эВ и выше. Поэтому основной задачей для нас стала разработка методов уменьшения ширины запрещённой зоны до приемлемых значений".
Авторы предложили новый подход к оптимизации ширины запрещённой зоны сложных галогенидов висмута и сурьмы. В отличие от ранее описанных в литературе методов — конденсации анионов, а также введения молекул галогена или полигалогенид-ионов, он не приводит к снижению химической стабильности соединений и позволяет достичь необходимого эффекта.
"Мы разработали и реализовали подход к оптимизации ширины запрещённой 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 и выделить соединения с требуемой шириной запрещенной зоны", — комментирует Андрей Шевельков.
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 трёхмерный каркас", — отмечает участник исследования с.н.с. Татьяна Шестимерова. В итоге учёным удалось достигнуть снижения ширины запрещённой зоны до 1.27–1.58 эВ.
"Предложенный подход к формированию межщелевых состояний открывает новые возможности для направленного дизайна галогенометаллатов с заданной шириной запрещённой зоны и может быть использован при создании эффективных светопоглощающих материалов для фотовольтаических устройств", — подводит итог Андрей Шевельков.
Исследование выполнено при поддержке государственных грантов № AAAA-A21-121011590082-2 и № FFZZ-2025-0010. Авторы выражают благодарность Анастасии Григорьевой и Сергею Дорофееву за помощь в получении ИК-спектров и спектров диффузного отражения. Также они выражают признательность Программе развития Московского государственного университета за предоставление доступа к криостату замкнутого цикла для мёссбауэровской спектроскопии CFPR-221-MESS и термомикровесам TG 209 F1 Libra (NETZSCH).
На фото: Андрей Шевельков (Автор: Илья Грехов)