Проектирование, синтез и оценка эффективности TiO2

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 13825 (2023) Цитировать эту статью

155 доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Мы сообщаем о синтезе и характеристике шести новых органических соединений на основе 2,2'-битиофена (3a–c и 5a–c), которые предназначены для использования в качестве косенсибилизаторов для сенсибилизированных красителем солнечных элементов (DSSC) на основе TiO2. . Соединения связаны с различными донорными и акцепторными группами, и мы подтверждаем их химическую структуру с помощью спектрального анализа. Наше внимание сосредоточено на повышении эффективности N3 на основе металлов, а эти соединения были разработаны для работы на наноуровне. Мы провели измерения поглощения и флуоресценции в диметилформамиде (ДМФ), где одно из наших соединений 5a показало самые длинные длины волн максимального поглощения и максимального излучения, что указывает на значительное влияние пара-метоксигруппы как сильной электронодонорной группы. Наши красители 5а + N3 (η = 7,42%) и 5с + N3 (η = 6,57%) превосходили по своим характеристикам только N3 (η = 6,16%), где значения плотности тока короткого замыкания (ПТК) и напряжения холостого хода (ЛОС) для них две системы также улучшились. Мы также исследовали сопротивление переносу заряда на границе раздела TiO2/краситель/электролит с помощью электрохимической импедансной спектроскопии (ЭИС), что важно в контексте нанотехнологий. Согласно графику Найквиста, коктейль 5a + N3 демонстрирует самую низкую скорость рекомбинации, что приводит к самому высокому содержанию летучих органических соединений. Наши теоретические расчеты, основанные на теории функционала плотности (DFT), также согласуются с экспериментальным процессом. Эти результаты позволяют предположить, что наши соединения имеют большой потенциал в качестве эффективных косенсибилизаторов DSSC. Это исследование дает ценную информацию о разработке и синтезе новых органических соединений для использования в качестве сосенсибилизаторов в DSSC на основе TiO2 и подчеркивает потенциал этих соединений для использования в эффективном преобразовании солнечной энергии.

Солнечные элементы, изготовленные с использованием органических красителей, известные как сенсибилизированные красителями солнечные элементы (DSSC), представляют собой технологию, которая подпадает под будущие технологии производства солнечных элементов с низкой стоимостью1,2,3,4. Один из основных принципов создания сенсибилизированного красителем солнечного элемента заключается в создании высокопористого нанокристаллического слоя TiO25. Этот слой служит поверхностью, на которой химически прикрепляется фотосенсибилизатор или краситель с высоким молярным коэффициентом экстинкции, образуя рабочий электрод солнечного элемента. Затем рабочий электрод отделяется от платинового противоэлектрода жидким йодид-трииодидным электролитом6,7. Электролит содержит окислительно-восстановительную пару, например \(I_{3}^{ - } / I^{ - }\), закрытую противоэлектродом (часто платиновым)8.

Фотосенсибилизаторы являются важнейшим компонентом DSSC, поскольку они способны преобразовывать падающий свет в возбужденные электроны, которые можно использовать для генерации электрического тока. Это делает их роль критически важной в общей производительности DSSC по сравнению с другими компонентами9. Существует два типа красителей, которые показали эффективность при использовании в этом применении. Первый тип, представляющий собой органический краситель, не содержащий металлов, характеризуется высокой силой поглощения и зависит от использования донорных фрагментов, таких как фенотиазин, индолин, карбазол, трифениламин, а также натуральных красителей, таких как беталаин и антоцианин, экстрагированных из свеклы и клюква или смесь трех натуральных фотосенсибилизаторов, полученных из розеллы, шпината и свеклы10, для повышения эффективности DSSC11,12,13, линкера с акцепторными фрагментами дикетопирролопиррола, бензотиадиазола, цианоацетамидов и бензотриазола14,15,16,17,18 . Второй тип — красители на основе металлов, наиболее известными из которых являются соединения рутения, такие как цис-бис(изотиоцианато)бис(2,2’-бипиридил-4,4’-дикарбоксилато рутения(II) N3, ди-тетрабутиламмоний-цис -бис(изотиоцианато)бис(2,2'-бипиридил-4,4'-дикарбоксилато)рутений(II) N719 и черный краситель19,20. Второй тип по своим характеристикам лучше первого, но у него есть недостатки: его высокая стоимость и сложные методы приготовления 21,22,23.Чтобы воспользоваться преимуществами обоих типов, в этом приложении был использован процесс совместной сенсибилизации, который представляет собой использование разных типов красителей в одном препарате24,25 ,26,27,28.

5c + N3 > 5b + N3 > N3 > 3a + N3 > 3b + N3 > 3c + N3, trend of is consistent with the trend of JSC. The cell co-sensitized by 5a + N3 had the highest IPCE response corresponding to its highest Jsc value of 18.14 mA cm−2 and gave over 65% IPCE values from 300 to 650 nm. This observation strongly advocates that during the dye loading process of co-sensitizers along with N3 should have interacted with each other. Such interaction generally tends to induce electron and energy transfer between the two kinds and hence causes deterioration in cell performance. The co-sensitized cell exhibits the highest Jsc value in the J-V measurements, which can be attributed to its broadest and highest IPCE response57. Additionally, the co-sensitized cell's improved Voc value, coupled with its highest Jsc value, contributes to its further increased PCE value when compared to that of 5a + N3, the improved IPCE response of (3a-c, and 5a-c is interpreted in terms of higher JSC value which showed the same order of 5a + N3 = 18.23 > 5c + N3 = 17.52 > 5b + N3 = 17.21 > 3a + N3 = 15.83 > 3b + N3 = 15.59 > 3c + N3 = 15.02 mA cm−2 compared to N3 (16.93 mA cm−2). These results implies that the structural optimization with 3a–c and 5a–c architecture is a key in getting greater efficiency, compared to the Jsc values obtained from the J–V data, the JscIPCE values integrated from the IPCE spectra are quite consistent. As a result, the co-sensitizer 5a dye produces the most abundant IPCE spectrum, proving that it also has the greatest Jsc. The enhanced IPCE replies match the enhanced Jsc results./p> 5c + N3 > N3 > 5b + N3 > 3b + N3 > 3a + N3 > 3c + N3, which shows the order of charge recombination resistance Rrec at the TiO2/dye/electrolyte interface. DSSCs with an increasing Rrec value have slower charge recombination between the electron injected and \(I_{3}^{ - }\) ions in the electrolyte. The charge recombination resistance of these dyes (RCT) corresponding to the diameter of the middle frequency semicircle was calculated to decrease in the order of 5a + N3 (23.21 Ω), 5c + N3 (21.24 Ω), N3 (20.34 Ω), 5b + N3 (18.19 Ω), 3b + N3 (16.58 Ω), 3a + N3 (15.56 Ω), 3c + N3 (14.29 Ω), in good agreement with the order photovoltage data. As a result, the Voc increases. Accordingly, this sequence of Voc values appears to be consistent. As a result, the 5a + N3 system with the largest diameter has the lowest recombination rate and the highest VOC, which is consistent with the photovoltaic values./p> 5c + N3 > N3 > 5b + N3 > 3b + N3 > 3a + N3 > 3c + N3, indicating the corresponding electron lifetimes ranked as: 5a + N3 (4.38 ms) > 5c + N3 (3.56 ms) > N3 (3.40 ms) > 5b + N3 (2.62 ms) > 3b + N3 (1.64 ms) > 3a + N3 (1.52 ms) > 3c + N3 (1.26 ms), also coincided well with Voc. The electron lifetime and charge recombination rate at the interface of TiO2/dye/electrolyte are affected by factors such as the size and shape of the dye molecule54, as well as the dye adsorption behavior. These factors have a strong influence on the photovoltage of solar cells, as has been previously reported in the literature. In this study, the values of Rrec and se for the new co-sensitizer dyes were found to be consistent with the corresponding VOC values obtained for the solar cells. The use of the 5a co-sensitizer in DSSCs resulted in higher VOC values compared to other sensitizers, including N3, due to the lower charge recombination rate at the TiO2/dye/electrolyte interface, which is attributed to the strength of the donating moiety./p>