基于新1,3,则对染料敏化太阳能电池的敏(DSSCs)

文摘

1、3,则对敏化与联苯、萘、蒽、三苯胺作为太阳能电池的电子基基合成应用程序。在这些敏化,介绍了含氰基的团体作为电子受体和锚的群体,因为他们的高吸电子能力和强烈结合半导体。用作Oxadiazole同分异构体π结合系统,桥梁亲水系统。电化学和光学性质的增敏剂研究了本地的形式和在并入染料敏化太阳能电池。紫外可见吸收光谱的结果,电化学阻抗光谱测量,和光电流电压特征表明,1,3,则对pi-spacer蒽一半的最高效率2.58%。密度泛函理论来优化增敏剂和TiO的结构₂集群。

1。介绍

的广泛应用光伏(PV)细胞主要由于其高成本是有限的能量输出比例。光伏电池通常被划分为基于无机细胞和有机的。无机光伏电池(Si)或基于量子点太阳能电池成本下降了很多在过去的几十年,但仍非竞争性比传统发电来源。动机实现成本/效率高比率派生薄膜染料敏化太阳能电池的出现。它是1991年由奥雷根和Gratzel开发。光伏电池的效率,这被称为染料敏化太阳能电池(DSSC),被报道为7.9%至7.1 (1]。DSSCs有关注由于理想的效率和成本之间的权衡性能(2- - - - - -5]。

染料,DSSC的主要成分,吸收阳光和产生激子(6,7]。它是多孔半导体表面的化学结合。目前,基于钌(II) DSSCs polypyridyl复合物的最佳转换效率(PCE) 11%标准(全球气团1.5)照明下8- - - - - -10]。但它仍然是低商业应用。低吸收光的红/近红外(NIR)地区的主要缺点是基于钌的增敏剂,限制了进一步改善效率。为了克服这些问题,不含金属的有机增敏剂开发11]。有机染料的基本结构单元是捐赠者-πspacer-acceptor。取代基作为供体和受体是分离的π共轭垫片。研究表明供体组形成有效的增敏剂应选择从电子丰富的芳基胺家庭包括苯胺aminocoumarin,二氢吲哚,(联芴)三苯胺和联苯。的π共轭连接器必须选择从化合物含有噻吩和oxadiazole单位因其杰出的电荷转移特性。丙烯酸集团被认为是最好的受体一半(12]。田等人合成methylthiophene基于高性能DSSCs敏化。他们介绍了乙烯装置pi-bridge,发现DSSC组装2-cyano-3 - (5 - (4 - (diphenylamino)苯基)4-methylthiophenyl-2-yl)丙烯酸显示8.27%的效率下模拟太阳能辐照(100 mW厘米是1.5克²)[13]。毛等人合成了一系列新的不含金属的有机染料与硼dipyrromethene (BODIPY)苯和噻吩pi-conjugated桥。这些染料的组织性能的关系表明,引入甲氧基集团捐赠和BODIPY噻吩单元作为pi-conjugated桥有利于提高DSSCs[的效率14]。瞿Diketopyrrolopyrrole(民进党)增敏剂合成了et al .感光剂包含Diketopyrrolopyrrole一半pi-bridge表现出良好的稳定性和更好的光伏性能高达4.41%的功率转换效率(15]。

DFT / TD-DFT是一种有效的工具来研究光敏剂的地面和激发态性质复合物相比其他高水平的量子方法由于计算轨道适用于典型的MO-theoretical分析和解释(16]。许多理论家已经成功地应用这种方法设计的敏化(17- - - - - -24]。

2。计算机模拟

阿姆斯特丹密度泛函(ADF)项目(2013.01)被用来执行DFT的计算。广义梯度近似(GAD)三重——OLYP水平ζ极化基函数是用来TiO的优化结构₂和染料。相对论效应被认为是在所有的计算采用零阶正则近似的标量近似(21,22,25]。

3所示。染料的合成

根据本实验室合成的染料都计划1。

一步1(见方案2(一):合成酯(1))。biphenyl-4-carboxylic酸溶液(5克)甲醇(25毫升)在催化量的硫酸(0.5毫升)下被加热回流24 h。混合物冷却至室温,然后集中在真空。由此产生的残渣(50 mL)加水稀释,用乙酸乙酯提取(2×50毫升)。合并后的有机层与饱和碳酸氢钠溶液清洗水紧随其后。有机层是干过硫酸钠和集中在减少压力下纯酯1在定量的收益。

一步2(见方案2(b):合成酰肼(2))。甲基biphenyl-4-carboxylate搅拌溶液(1,5 g)乙醇(50 mL),一水合肼溶液(100%)(g) 24日补充道。由此产生的混合物搅拌在80°C 8 h,然后集中在减少压力。残留物与冰冷却稀释水(50毫升)和固体过滤,用水洗(2×50毫升)。标题化合物得到作为一个苍白的非晶态固体在88%的收益率。

一步3(见方案2(c):合成1,3,则对(3))。酰肼的混合物(2,3.5 g)和thiophene-2-carboxylic酸(2.1 g), POCl₃(20毫升)添加慢慢在室温和由此产生的混合物搅拌2 h在110°C。解决方案是冷却后,POCl过剩₃被压力降低。残留用水稀释,然后用水性碳酸氢钠中和。收集的白色沉淀过滤,用水洗。由此产生的固体(4.8 g)是通过柱层析法进一步纯化给纯oxadiazole (4 g)。

一步4(见方案2(d):甲酰化噻吩环的不良反应(4))。oxadiazole的混合物(3,4 g), hexamethylenetetramine (8 g)在40毫升的三氟乙酸下被加热回流(90 - 110°C)。的进步是由薄层色谱监测反应。完成,饱和碳酸氢钠溶液的混合物就熄了。沉淀固体被过滤,然后用水洗。由此产生的固体通过柱色谱法纯化给所需的醛4(2.5 g)。

第五步(见方案2(e):合成cyanoacrylic酸5通过诺文葛耳凝结(5))。carboxaldehyde的解决方案4(2 g)和醋酸铵(0.1电化学当量)乙酸(20毫升),增加了氰乙酸(1.1枚)。下产生的混合物加热回流4 h和被薄层色谱监测反应的进展。完成后,混合物与冰水冷却和稀释。沉淀过滤,用水洗。由此产生的固体是甲苯重结晶:甲醇混合物(9:1)提供所需的染料5在纯形式。

所有其他染料(D1、D3、D4)准备以同样的方式。染料的结构和名称如图所示1。

4所示。DSSCs的制备和表征

2毫米的解决方案中每个染料制备的氯仿。TiO₂粘贴是沉积在导电玻璃衬底,然后烧结在450°C 30分钟。电极浸入染料溶液中24小时。敏化后,样本与乙醇清洗,消除非固定染料。涂铂对电极是由沉积铂粘贴(Plasticol T, Solaronix) FTO玻璃衬底表面,然后通过加热10分钟的450°C。然后,DSSCs捏造采用敏化阳极,对电极,60μ1170密封垫片(Meltonix Solaronix)氧化还原电对电解液的准备与50 mM methoxypropionitrile氧化还原浓度(Iodolyte Z-50, Solaronix)。染料的可见光谱TiO的甲醇和锚定₂电影在玻璃基板与jasco - 670 UV / VIS分光光度计记录。吉时利2400源计是用来测量电流-电压DSSCs特点使用IV-5太阳能模拟器(Sr # 83,光伏测量,Inc .)在AM1.5G (100 mWcm⁻²)。硅太阳能电池是用作参考校准。照明的EIS测量在黑暗条件通过生物逻辑的造物九律SAS (VMP3, s / n: 0373), 10 mV的交流信号振幅,频率范围的10赫兹至500千赫。

5。结果与讨论

5.1。能级的敏

前线分子轨道(FMO)染料提供了必要的电荷转移的驱动力。我们用DFT技术找到TiO的带隙₂集群和新颖的敏化。的电子分布的homo和lumo D1, D2、D3、D4图所示2。显然,这些化合物的重点是电子密度最高的位于捐赠半个。lumo位于通过pi-bridge锚定组。因此,HOMO-LUMO激发光辐照引起的可以移动的电子分布捐赠半个锚定装置通过pi-bridge段。(TiO₂)₈集群也模拟发现其导带(−4.0 eV)和带隙(3.18 eV)。

表1表明,增敏剂的细数序列的D3 (−4.689) > D4 (−5.180) > D1 (−5.657) > D2 (−5.682)。序列的lumo能级D3 (−3.694) > D4 (−3.840) > D2 (−3.867) > D1 (−3.956)。显著影响电子基根HOMO和LUMO能级的染料。类似地,染料的D3的顺序(1.175)< D4 (1.340) < D1 (1.701) < D2 (1.815)。这些结果表明,染料1 - 4可以注入电子的传导带氧化钛。

5.2。染料的吸收光谱

的吸收光谱D3在TiO氯仿和吸附₂如图3。两个截然不同的吸收带的D3氯仿可以观察到:在该地区是一个相对较弱的乐队(380 - 400 nm)对应电子转换的共轭分子,另一个是在430 - 460纳米,可以分配给一个分子内电荷转移(ICT)电子供体和电子受体之间的锚定半个。然而,转移到较低的能量吸收值固定TiO的时候₂。这是由于这样的事实:在电极TiO的羧酸盐组绑定₂表面的作为质子。羧酸盐组和表面之间的相互作用离子可能导致增加的移位轨道。的能量水平下降了这种离域,这解释了吸收光谱的红移。

5.3。光伏性能

DSSCs捏造使用D1, D2、D3、D4染料有0.35厘米的有效面积²。DSSCs的光电参数记录在表2和相应的光电流电压(jv显示在图)特征4。太阳能电池基于D3敏化剂显示四个染料之间的最佳性能。它可以清楚地看到的捐赠者一部分染料光伏性能起着关键作用。因此,引入蒽单元作为电子供体一部分改善DSSC的光电流。此外,较高的HOMO和LUMO能级的D3不仅产生电荷分离,而且加速染料避免电荷复合再生。

5.4。EIS分析

EIS分析执行调查DSSCs的界面电阻。图5显示了DSSCs的奈奎斯特图组装与新型敏化。一般来说,一个正常的阻抗谱DSSCs由三个弧(半圆形)。第一个半圆表示的电子转移电阻对电极/电解液(),第二个代表的电荷转移电阻光电阳极/电解质界面(),第三个表示的扩散在电解液()[26,27]。只有第二弧在奈奎斯特图在图出来5。可能其他两个弧对应和的阴影下大半圆代表(28,29日]。的表明电荷复合率;例如,一个更大的指定一个慢电荷复合。的值与D3 DSSC组装是更大的D1, D2, D4。越高D3相对于D1、D2和D3可以归因于笨重蒽单元的位阻。

6。结论

一系列新型染料D1、D2、D3、D4 DSSCs做好了准备。结果表明,有机染料的捐赠一部分强烈影响DSSCs的性能。蒽的合并单元作为捐赠一部分改善DSSC的效率比其他捐赠单位,也就是说,联苯,萘,三苯胺。在四个敏合成,最大效率的2.58%得到DSSCs基于D3 (马/厘米²,mV,)。这些结果支持敏化基于蒽单位是DSSCs吉祥的候选人。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者要感谢提供的资金阿卜杜勒阿齐兹国王科技城(KACST)通过项目没有。11-ENE1635-04作为国家科学、技术和创新计划。作者要感谢KFUPM卓越中心的研究可再生能源。

补充材料

引用

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