文摘

色素增感太阳能电池使用我们已经开发出新的增敏剂增强透光率的红色(625 - 675 nm)和蓝色(425 - 475 nm)波段控制温室里的照明条件。小说钌联吡啶与通用公式(我增敏剂3PhN)4[俄文(dcbpy)2(nc)2)(JJ-7)和(我3BnN)4[俄文(dcbpy)2(nc)2)(JJ-9)合成色素增感太阳能电池和证明是有效的增敏剂在温室的应用程序。标准是1.5的阳光下,太阳能电池的JJ-7使用液态电解质展品短路光电流密度8.49 mA /厘米2、0.83 V的开路电压和填充因子为0.71,对应5整体转换效率4.96% m TiO2电影。的透光率JJ-7和JJ-9显示62.0%和61.0% 18.0%和15.0%在660 nm和440 nm为培养5 m TiO2电影,分别。

1。介绍

色素增感太阳能电池的一个(DSSC)是一种电化学装置,利用吸光染料分子吸附在半导体纳米粒子从阳光发电1- - - - - -5]。当前研究DSSCs专注于细胞材料和制造技术的发展,高转换效率、低成本、稳定(6- - - - - -8]。温室的色素增感太阳能电池的制备是参与操纵光的植物生长和节能。光操纵温室是非常重要的改善农产品的数量和质量。包层材料(9- - - - - -13和人工照明14- - - - - -20.)(领导或高压钠灯)是用来操纵光温室植物生长。色素增感太阳能电池(DSSCs)直到现在,没有被应用于温室植物生长和节能。植物生长最重要的波段是叶绿素的吸收峰位于红色(625 - 675 nm)和蓝色(425 - 475 nm)地区,分别。红色的谱带是参与光合作用和蓝色乐队与photomorphogenic和植物的向光性的反应21]。色素增感太阳能电池,因此,温室技术可以作为先进的光选择性覆盖物,控制环境条件,优化农产品的生产力和质量和节约能源。植物生长和节能,我们专注于小说增敏剂的发展与增强DSSCs红色和蓝色波段的透射率和高的性能。这种方法是合成高效钌增敏剂通过系统调优的LUMO, HOMO能级通过引入配位体的高山π∗分子轨道或稳定的金属 轨道。在这里,我们报告的合成新型钌(II)增敏剂(JJ-7和JJ-9)对温室DSSCs及其光电性能(图1)。


图1
分子结构的JJ-7和JJ-9。

2。结果与讨论

合成路线的准备JJ-7和JJ-9描述了计划1。JJ-7和JJ-9由反应吗独联体-dithiocyanatobis (2, 2′-bipyridine-4 4′-dicarboxy-late)钌(II)敏化剂(N3)染料、trimethylphenylammonium氢氧根和苄基三甲基氢氧化铵。两个增敏剂的分析和光谱数据与制定结构一致。

376315. sch.001
方案1
增敏剂的合成原理图JJ-7和JJ-9。

数据2和3说明植物生长的温室和透过率光谱使用包层材料。工厂1太阳能光照下生长和植物2,3,4,5种植使用红外覆盖材料,蓝色的覆盖材料,绿色覆盖材料,分别和红色覆盖材料(图3)。红色的包覆材料的紫外可见光谱显示透光率乐队在可见光和红外地区超过570海里。这个乐队是类似于真正的太阳光谱带红波段(625 - 675海里)。另一方面,蓝色和绿色的包层材料不传播红色(625 - 675 nm)波段(图2)。我们在温室栽培的生菜包层材料覆盖。生菜生长红色覆盖材料更优越的其他包层材料的数量和质量,但是红色的生菜包层材料没有出现红色(图3)。为了获得红色的生菜就像真正的太阳能灯,我们不仅需要红色波段(625 - 675 nm),也适合蓝色波段(425 - 475海里)。因此,我们开发了色素增感太阳能电池用新型增敏剂温室透光率在两个红色和蓝色波段。

(一)
(一)
(b)
(b)
图2
温室植物生长和透过率光谱在太阳能光(温室,暗青色线),太阳能灯(在温室,紫色的线),红外光谱覆盖材料(棕色线),绿色覆盖材料(绿线),蓝色覆盖材料(蓝线),和红色的包覆材料(红线)。

图3
植物生长在太阳能灯(1)红外镀层(2),绿色覆盖材料(3),蓝色的包覆材料(4),(5)和红色的包覆材料。

图4显示了紫外可见光谱JJ-7和JJ-9,加上N719吸收光谱作为参考。的紫外可见光谱JJ-7显示两个吸收光谱在380和514海里,它们的特征metal-to-ligand电荷转移(MLCT)乐队22,23]。低能量MLCT乐队在514海里JJ-710 nm蓝移是相对的N719(524海里)。在440 nm的乐队JJ-7展览4.5×10的摩尔消光系数3米−1厘米−1略低于N719染料(5.4×103米−1厘米−1)。蓝移和低摩尔消光系数是由于增加的能量LUMO的配体,造成的π- - - - - -π∗和dπ- - - - - -π∗转换发生在更高的能量24]。同时,紫外可见光谱JJ-9显示两个吸收乐队在380和514 nm的摩尔消光系数JJ-9是4.7×103米−1厘米−1在440纳米。我们也观察到,增敏剂JJ-7和JJ-9表现出强烈的发光最大值在660 - 700海里的时候兴奋MLCT乐队在EtOH 298 K。


图4
吸收和发射光谱JJ-7(蓝线),JJ-9(橙色线)N719在EtOH(红色线)。

的紫外-可见透射光谱JJ-7和JJ-9吸附在TiO2电影在图所示5一起N719透过率光谱作为参考。的透光率JJ-7和JJ-95日μm TiO2电影展览在红(660海里)的62.0%和61.0%,18.0%和15.0%,蓝色(440海里)波长为植物生产和质量,分别高于相应的值N719(48.0%在蓝色红色(660海里)和7.0%(440海里)波长)。此外,透光率JJ-7和JJ-910日μm TiO2影片显示,62.9%和60.5%,红色(660 nm)和7.5%和6.3%的蓝色波长(440海里)工厂生产和质量,分别高于相应的值N719(37.9%在蓝色红色(660海里)和1.5%(440海里)波长)。高透光率的JJ-7和JJ-9相比之下,N719可归因于HOMO-LUMO能源缺口增加了吸电子能力的配体和低摩尔消光系数。

(一)
(一)
(b)
(b)
图5
透射光谱JJ-7(蓝线),JJ-9(橙色线)N719(红色线)(a)吸附在5μm TiO2电影和(b)吸附在10μm TiO2电影。

的jv基于曲线的设备JJ-7和JJ-9所示,相比N719在图6。标准全球是1.5太阳能的条件下,当5μm TiO2电影使用JJ-7和JJ-9致敏细胞给短路光电流密度( 马)8.49和9.40厘米−2,一个开路电压( 0.83和0.78 V),填充因子(FF) 0.71和0.69,相应的整体转换效率(η)分别为4.96%和5.07%(表1)。在同等条件下,N719致敏细胞了 马的10.34厘米−2,一个 0.82 V, 0.74的FF,对应η的6.25%。当10μm TiO2电影使用JJ-7和JJ-9致敏细胞给短路光电流密度( 马)11.68和12.62厘米−2,一个开路电压( 0.80和0.80 V),填充因子(FF) 0.71和0.69,相应的整体转换效率(η)分别为6.58%和6.93%(表1)。在同等条件下,N719致敏细胞了 马的13.87厘米−2,一个 0.79 V, 0.70的FF,对应η的7.67%。略低 的JJ-7和JJ-9相对于N719可以与透光率的增加和稀疏的包装吗JJ-7和JJ-9单层膜在TiO2电极。澄清上述解释,我们测量TiO的染料吸附量2电影通过解吸装置TiO的染料2与KOH表面。三个染料吸附在TiO的数量2电影被测量是2.94×10−7,3.02×10−7和3.76×10−7更易与cm−2为JJ-7,JJ-9,N719,分别。的低吸附JJ-7和JJ-9可以将笨重的存在保护组与电子撤回的能力tetra-substituted铵组和带负电荷的羧基组的静电排斥。

表1
光、氧化还原和DSSC染料的性能参数。
(一)
(一)
(b)
(b)
图6
jv曲线的JJ-7(蓝线),JJ-9(橙色线)N719使用(一)5(红色线)μm TiO2电影和(b) 10μm TiO2电影。

的电化学性能两个增敏剂JJ-7和JJ-9循环伏安法研究了在CH3使用TiO CN 0.1四丁铵方法2电影与工作电极吸附染料。的氧化电位JJ-7和JJ-9吸附在TiO2电影展示quasi-reversible夫妇为1.07 V和1.03 V和新人道,分别(表1)。的 的氧化电位JJ-7和JJ-9更积极的比吗N719。HOMO-LUMO能量带隙( )JJ-7和JJ-9十字路口的吸收和发射光谱是2.08和2.06 eV,分别比的增加N719(1.85 eV实验计算(25为理论计算)和1.97 eV B3LYP / 3-21 G (26,27])。这反映了配体的电子撤回属性增加tetra-substituted铵组。两个染料的还原电位氧化电位和计算 十字路口的吸收和发射光谱是−1.01 VJJ-7和−1.03 VJJ-9而新人道。负面的还原电位的改变JJ-7和JJ-9相比N719在配体可归因于吸电子能力和增加HOMO-LUMO能量带隙。

图7色素增感太阳能电池显示辐射强度在使用JJ-7和N719增敏剂。后箱,我们测量了辐射强度如图7。的辐射强度JJ-7增敏剂5和10μm TiO2厚度远远高于电影N719敏化剂5μm TiO2厚度的电影。这一结果表明,小说JJ-7色素增感太阳能电池敏化剂非常有效的温室植物生长。另一方面,现有的N719敏化剂不有用,因为较低的光量。不同的光量可能由不同的染料分子结构引起的。光的高质量JJ-7比N719可能是由于吸附的缺陷吗JJ-7TiO的敏化剂2电极。


图7
辐射的强度JJ-7(5μ米,黑色线),JJ-7(10μ米,红色线),N719(5μ米,绿线)和(蓝线)和色素增感太阳能电池的温室试验台使用新的感光剂(JJ-7)。

总之,两个小说钌联吡啶增敏剂合成和表征。solar-to-electricity转换效率4.96% (5μm TiO2电影)和6.58% (10μm TiO2电影)JJ-7与6.25% (5μm TiO2电影)和7.67% (10μm TiO2电影)N719敏化太阳能电池。高透光率(62%在660 nm和440 nm) 18%JJ-7灭绝是由于它的低吸收系数MLCT乐队在可见区域和蓝移的增加HOMO-LUMO能量带隙。我们认为,发展高效增敏剂通过精心色素增感太阳能电池的温室是可能的分子工程、和工作在这些现在在进步。

3所示。实验部分

3.1。色素增感太阳能电池的制造

Fluorine-doped氧化锡(FTO)玻璃板(皮尔金顿TEC Glass-TEC 8日太阳能2.3毫米厚)在洗涤剂清洗解决方案使用的超声波浴30分钟,然后用水冲洗和乙醇。然后,盘子TiCl沉浸在40毫米4在70°C(水)30分钟,用水洗和乙醇。一层透明的纳米晶体制备的FTO玻璃板用刮片印刷TiO2粘贴(Solaronix Ti-Nanoxide T / SP),当时干2小时25°C。TiO的2电极逐渐加热气流在325°C下5分钟,5分钟在375°C,在450°C,持续15分钟,15分钟的500°C。透明层的厚度测量用Alpha-step 250表面轮廓曲线仪(Tencor仪器,圣何塞,CA)。由此产生的电影是由一个5和10μ米厚的透明层。TiO的2电极与TiCl再次治疗4在70°C 30分钟和30分钟烧结在500°C。然后,他们沉浸在JJ-7和JJ-9在乙醇(0.3毫米)的解决方案,在室温下保存24小时。FTO柜台电极清洗板材超声波浴中H2O、丙酮和0.1盐酸水溶液,随后。柜台准备通过将电极下降的H2竞购6解决方案(2毫克为泰党1毫升乙醇)在一个FTO板和加热15分钟(400°C)。染料吸附TiO2电极和Pt柜台电极组装成一个密封的夹层单元通过加热使用热熔离子交联聚合物膜在80°C (Surlyn)作为电极之间的间隔。一滴电解质组成的0.6 1,2-dimethyl-3-propylimidazolium碘(DMPII), 0.052、LiI 0.1米和0.5米叔-butylpyridine在乙腈是放置在钻洞的反电极和驱动单元通过真空回填。最后,这个洞是密封使用额外的Surlyn和盖玻片(0.1毫米厚)。

3.2。典型的过程和分析数据

JJ-7复杂的。的混合物N3(100毫克,0.141更易)和氢氧化trimethylphenylammonium(434毫克,0.708更易)甲醇(2毫升)在室温下搅拌2 h。纯的产品JJ-7是通过交联葡聚糖LH-20列以甲醇为洗脱液。收益率:97%。1H NMR (CD3OD): 9.43 (d, 2 h, 赫兹),8.90 (s, 2小时),8.74 (s, 2 h), 8.13 (dd, 2 h, 赫兹),7.93 (m, 6 h), 7.63 - -7.50 (3.70 m, 18 h, h(年代,36)。肛交。计算的C62年H68年N10O8俄文2:C, 59.74;5.50 H,。发现:C, 59.77;5.48 H,。

JJ-9复杂的。的混合物N3(100毫克,0.141更易)和苄基三甲基氢氧化铵(296毫克,0.708更易)甲醇(2毫升)在室温下搅拌2 h。纯的产品JJ-9是通过交联葡聚糖LH-20列以甲醇为洗脱液。收益率:94%。1H NMR (CD3OD): 9.41 (d, 2 h, 赫兹),8.91 (s, 2小时),8.75 (s, 2 h), 8.10 (dd, 2 h, 赫兹),7.54 (m, 24 h), 4.55(年代,8 h), 3.12(年代,36 h)。肛交。计算的C66年H76年N10O8俄文2:C, 60.86;5.88 H,。发现:C, 60.78;5.94 H,。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

承认

这项工作是支持的电子和电信研究所(电子)。