Design, Synthese und Leistungsbewertung von TiO2

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 13825 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Wir berichten über die Synthese und Charakterisierung von sechs neuartigen organischen Verbindungen auf 2,2′-Bithiophen-Basis (3a–c und 5a–c), die als Co-Sensibilisatoren für farbstoffsensibilisierte Solarzellen (DSSCs) auf TiO2-Basis dienen sollen . Die Verbindungen sind an verschiedene Donor- und Akzeptorgruppen gebunden und wir bestätigen ihre chemischen Strukturen durch Spektralanalysen. Unser Schwerpunkt liegt auf der Verbesserung der Leistung von metallbasiertem N3, und die Verbindungen wurden für den Einsatz im Nanomaßstab entwickelt. Wir führten Absorptions- und Fluoreszenzemissionsmessungen in Dimethylformamid (DMF) durch, wobei eine unserer Verbindungen 5a die längsten maximalen Absorptions- und maximalen Emissionswellenlängen aufwies, was auf den signifikanten Einfluss der para-Methoxygruppe als starke elektronenspendende Gruppe hinweist. Unsere Farbstoffe 5a + N3 (η = 7,42 %) und 5c + N3 (η = 6,57 %) übertrafen N3 (η = 6,16 %) allein, wobei die Werte für Kurzstromdichte (JSC) und Leerlaufspannung (VOC) für diese gelten Zwei Systeme wurden ebenfalls verbessert. Wir haben auch den Ladungsübertragungswiderstand an der TiO2/Farbstoff/Elektrolyt-Grenzfläche mithilfe der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) untersucht, was im Kontext der Nanotechnologie wichtig ist. Laut Nyquist-Diagramm wies der 5a + N3-Cocktail die niedrigste Rekombinationsrate auf, was zu den höchsten VOC führte. Unsere theoretischen Berechnungen basierend auf der Dichtefunktionaltheorie (DFT) stimmen auch mit dem experimentellen Prozess überein. Diese Ergebnisse legen nahe, dass unsere Verbindungen ein großes Potenzial als effiziente DSSC-Co-Sensibilisatoren haben. Diese Studie liefert wertvolle Einblicke in das Design und die Synthese neuer organischer Verbindungen zur Verwendung als Co-Sensibilisatoren in DSSCs auf TiO2-Basis und unterstreicht das Potenzial dieser Verbindungen für den Einsatz bei der effizienten Umwandlung von Solarenergie.

Mit organischen Farbstoffen hergestellte Solarzellen, die als farbstoffsensibilisierte Solarzellen (DSSCs) bezeichnet werden, gehören zu den Zukunftstechnologien für die kostengünstige Herstellung von Solarzellen1,2,3,4. Eines der wesentlichen Prinzipien bei der Herstellung einer farbstoffsensibilisierten Solarzelle ist die Schaffung einer hochporösen nanokristallinen TiO2-Schicht5. Diese Schicht dient als Oberfläche, auf der ein Photosensibilisator oder Farbstoff mit einem hohen molaren Extinktionskoeffizienten chemisch gebunden wird, um die Arbeitselektrode der Solarzelle zu bilden. Die Arbeitselektrode wird dann durch einen Iodid-Triiodid-Flüssigelektrolyten von einer Platin-Gegenelektrode getrennt6,7. Der Elektrolyt enthält ein Redoxpaar, wie \(I_{3}^{ - } / I^{ - }\), geschlossen durch eine Gegenelektrode (oft Platin)8.

Photosensibilisatoren sind ein entscheidender Bestandteil von DSSCs, da sie einfallendes Licht in angeregte Elektronen umwandeln können, die zur Erzeugung von elektrischem Strom verwendet werden können. Daher spielen sie im Vergleich zu anderen Komponenten eine entscheidende Rolle für die Gesamtleistung des DSSC9. Es gibt zwei Arten von Farbstoffen, die sich bei dieser Anwendung als wirksam erwiesen haben. Der erste Typ, ein metallfreier organischer Farbstoff, zeichnet sich durch seine hohe Absorptionsstärke aus und basiert auf der Verwendung von Donoreinheiten wie Phenothiazin, Indolin, Carbazol, Triphenylamin und natürlichen Farbstoffen wie Betalain und Anthocyanin, die aus Roter Bete gewonnen werden Preiselbeeren oder eine Mischung aus drei natürlichen Photosensibilisatoren aus Roselle, Spinat und Rote Bete10, um die Effizienz von DSSCs11,12,13, Linker zu den Akzeptoreinheiten Diketopyrrolopyrrol, Benzothiadiazol, Cyanoacetamiden und Benzotriazol14,15,16,17,18, zu verbessern . Der zweite Typ sind Farbstoffe auf Metallbasis, von denen die bekanntesten Rutheniumverbindungen wie cis-Bis(isothiocyanato) bis(2,2′-bipyridyl-4,4′-dicarboxylato ruthenium(II) N3, Ditetrabutylammonium cis) sind -bis(isothiocyanato)bis(2,2′-bipyridyl-4,4′-dicarboxylato)ruthenium(II) N719 und schwarzer Farbstoff19,20. Die Leistung des zweiten Typs ist besser als die des ersten, weist jedoch Nachteile auf seine hohen Kosten und komplexen Herstellungsverfahren21,22,23. Um die Vorteile beider Arten zu nutzen, wurde in dieser Anwendung der Co-Sensibilisierungsprozess verwendet, bei dem verschiedene Arten von p;-Farbstoffen in derselben Zubereitung verwendet werden24,25 ,26,27,28.

Unsere Forschung trägt zum wachsenden Wissensschatz über die Entwicklung effizienter und kostengünstiger DSSCs bei, die erhebliche Auswirkungen auf erneuerbare Energien haben. Die Verwendung organischer Verbindungen als Co-Sensibilisatoren in DSSCs ist ein aktives Forschungsgebiet, und unsere Erkenntnisse haben das Potenzial, dieses Feld weiter voranzutreiben. Insgesamt unterstreicht unsere Forschung die Bedeutung der Entwicklung innovativer Ansätze zur Verbesserung der Leistung von DSSCs, die letztendlich zu den globalen Bemühungen um den Übergang zu nachhaltigen und sauberen Energiequellen beitragen. Basierend auf dem oben Gesagten wurden daher einfach herzustellende und kleine organische Verbindungen (3a–c und 5a–c) hergestellt, die als Co-Sensibilisatoren zur Verbesserung des kommerziellen Farbstoffs N3 verwendet werden sollen. Die chemische Zusammensetzung der verschiedenen Farbstoffe und des kommerziellen Farbstoffs N3 ist in Abb. 1 dargestellt.

Molekulare Strukturen der Co-Sensibilisatoren 3a–c, 5a–c und N319.

Die Syntheseverfahren für die Verbindungen 3a–c und 5a–c sind in der Zusatzdatei aufgeführt. Die Bithienylbenzonitril-Derivate 3a–c wurden durch Rückflusskochen des Brombithienyl-Derivats 129 mit 4-Methoxyphenylboronsäure (2a), 3,4-Dimethoxyphenylboronsäure (2b) und 3,5-Dimethoxyphenylboronsäure (2c) in 1,4-Dioxan hergestellt ein Lösungsmittel mit Pd(PPh3)4 als Katalysator und K2CO3 als Base (Abb. 2). Verbindung 3a wird mit einem aktualisierten Verfahren durch Suzuki-Kupplungsreaktion mit guter Ausbeute (75 %) im Vergleich zu 51 % bei der vorherigen Arbeit30 hergestellt.

Syntheseschema für die Bithienylbenzonitril-Derivate.

Die Elementar- und Spektralanalysen wurden verwendet, um die Strukturen der Bithienylbenzonitril-Derivate 3a-c zu bestätigen. Die entsprechenden Abbildungen (Abbildungen 1–9) finden Sie in den Zusatzdateien. Das 1H-NMR-Spektrum der Verbindung 3b zeigte zwei Singulettsignale von Dimethoxygruppen bei δ 3,78 (para -OCH3), 3,83 (meta OCH3), zwei Dublettsignale bei δ 6,99 (J = 8,5 Hz), δ 7,22 (J = 2,5 Hz). ), zusammen mit einem Dublett des Dublettsignals bei δ 7,20 (J = 8,5, 2,5 Hz), das einem 1,3,4-trisubstituierten Benzolring entspricht, und vier Signalen als Dublett, die sich auf Bithiophen-Hs bei δ 7,40 (1H), 7,41 beziehen ( 1H), 7,46 (1H) und 7,74 (1H). Zusätzlich zum Singulettsignal bei δ 7,86 (4H) von Benzonitril-Hs. Das Massenspektrum der Verbindung 3b ergab einen Molekülionenpeak m/z bei 403 (M+, 100) sowie ein Fragment bei 388 (M+-CH3).

Abbildung 3 zeigt die Herstellung der Bithienylfluorbenzonitril-Derivate 5a–c, beginnend mit einer Suzuki-Kupplungsreaktion über eine Kreuzkupplungsreaktion des Brombithienylderivats 431 mit den richtigen Phenylboronsäuren 2a–c. Die Strukturen der Bithienylfluorbenzonitrile 5a–c wurden anhand ihrer Elementar- und Spektralanalysen bestätigt. Die entsprechenden Abbildungen (Abbildungen 10–18) finden Sie in den Zusatzdateien. IR-Spektren der Bithienylfluorbenzonitrile 5a-c zeigten das Vorhandensein einer Cyanogruppe mit Streckschwingungen im Bereich von 2228–2229 cm−1. Das 1H-NMR-Spektrum des Bithienylfluorbenzonitril-Derivats 5a zeigte ein Singulettsignal, das sich auf para -OCH3 bei δ 3,78 bezieht, und ein AA'BB'-Aufspaltungsmuster zweier Dublettsignale bei δ 6,98, 7,61 (J = 8,5 Hz, jeweils zwei Protonen) von Ar-H des 4-Methoxyphenylrings und zwei Dublettsignale, jeweils ein Proton (J = 3,5 Hz) einer Thiopheneinheit und Multiplettsignal, das sich auf 2H der anderen Thiopheneinheit bezieht, zusammen mit Dublett des Dubletts bei δ 7,67 (J = 8,0, 1,5 Hz) und Multiplettsignal, das einem 1,3,4-trisubstituierten Benzolring entspricht. Darüber hinaus ergab das Massenspektrum der Verbindung 5a einen Molekülionenpeak m/z bei 391 (M+, 100) als Basispeak sowie ein Fragment bei 376 (M+-CH3), wie in Abb. 4 dargestellt.

Syntheseschema für die Bithienylfluorbenzonitril-Derivate 5a–c.

Massenfragmentierungsmuster der Bithienylfluorbenzonitrile 5a, 5b.

Das 1H-NMR-Spektrum der Verbindung 5b zeigte zwei Singulettsignale, die sich auf 3,4-Dimethoxygruppen beziehen, bei δ 3,78 (para -OCH3), 3,83 (meta -OCH3), zwei Dublettsignale bei δ 6,99 (J = 8,0 Hz), δ 7,25 (J = 1,5 Hz), zusammen mit einem Dublett des Dubletts bei δ 7,22 (J = 8,0, 1,5 Hz), entsprechend einem 1,3,4-trisubstituierten Benzolring, und vier Signalen, die sich auf Bithiophen-Hs beziehen; Darüber hinaus wurden zwei Signale für Ar-Hs des Fluorbenzonitrilrings integriert. Das Massenspektrum der Verbindung 5b ergab einen Molekülionenpeak m/z bei 421 (M+, 100) als Basispeak, zusammen mit einem Fragment bei 406 (M+-CH3) aufgrund des Verlusts einer Methylgruppe, Massenfragmentierungsmuster (Abb. 4) stimmten mit der berichteten Literatur überein32.

Die Absorptions- und Fluoreszenzemissionsmessungen wurden in DMF durchgeführt. Die in den Fluoreszenzemissionsspektren beobachtete bathochrome Verschiebung ist nicht so ausgeprägt wie die in den entsprechenden Absorptionsspektren beobachtete. Die Wellenlänge der maximalen Absorption und der E0–0-Übergang der Fluoreszenzemissionsspektren sind in Tabelle 1 zusammengestellt.

Wie in Abbildung 19 in der Zusatzdatei dargestellt, wird eine einfache Klasse von D-π-A dargestellt, die den strukturellen Einfluss der Elektronendonor- und Elektronenakzeptorgruppen deutlich zeigt. Das Bithiophen-Derivat 5a zeigt die maximale Absorption \({\uplambda }_{{{\text{max}}}}^{{{\text{abs}}}}\) und die maximale Emission \({\uplambda }_ {{{\text{max}}}}^{{{\text{em}}}}\) zeigt die Wirkung der Methoxygruppe als starke elektronenspendende Gruppe und die erhöhte Stärke der elektronenziehenden Cyanogruppe durch die Anwesenheit von Fluor an Atom in seiner ortho-Position. Die Bithiophen-Derivate 3c und 5c sind in den elektronenspendenden Meta-Dimethoxygruppen ähnlich, was ungefähr das gleiche Fluoreszenzemissionsmaximum und eine Bathochromverschiebung von wenigen Nanometern wie das fluorierte Analogon zeigt. Es wurde festgestellt, dass das fluorierte Analogon der ortho-Dimethoxy-Derivate die bathochrome Verschiebung verstärkt, wie dies auch für das para-Monomethoxy-Analogon beobachtet wurde. Dies kann auf das Vorhandensein eines ICT-Prozesses von der Meta-Methoxygruppe in der elektronenspendenden Einheit bis zum Meta-Fluoratom in der Akzeptorgruppe zurückgeführt werden, der den ICT-Prozess von der Ortho-Methoxygruppe zum Cyano-Weg stört. Das Absorptionsspektrum von N3 ist in Abbildung 20 in der Zusatzdatei dargestellt.

Wir haben auch das UV-Vis-Spektrum der Farbstoffe auf der Oberfläche des TiO2 untersucht (Abb. 5). Durch die Ergebnisse wurde deutlich, dass das Spektrum breiter ist als das der Lösung. Dies bestätigt die Absorption der Farbstoffe auf der Oberfläche des TiO2. Es wurde auch beobachtet, dass die Farbstoffe 5a–c eine Absorption bei einer längeren Wellenlänge als in der Lösung aufwiesen, was auf die J-Aggregation zurückzuführen war33. Das Vorhandensein von zwei Verknüpfungsgruppen (CN und F) führt zur höchsten Absorption der Farbstoffe 5a–c, wohingegen die Cyanogruppe allein in den Farbstoffen 3a–c vorhanden ist. Die oben genannten Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Farbstoffe 5a–c bei Verwendung in DSSCs interessante Ergebnisse liefern könnten. Das Absorptionsspektrum von an TiO2 verankertem N3 ist in Abbildung 21 in der Zusatzdatei dargestellt.

UV/Vis-Absorption der über TiO2 absorbierten Bithiophenfarbstoffe 3a–c und 5a–c.

Abbildung 6 bietet zusätzliche Einblicke in den Mechanismus, durch den unsere Nitrilfarbstoffe an der TiO2-Oberfläche verankert werden. Dieser Verankerungsprozess wird durch die Tatsache gestützt, dass beobachtet wurde, dass verschiedene Verbindungen, darunter Übergangsmetallcyanide, sichtbare Ladungstransferkomplexe (CT) mit Ti(IV)-Ionen auf Oberflächen bilden34,35,36. Dies führt zu starken Farbstoff-zu-TiO2-Ladungstransferbanden (DTCT), was darauf hindeutet, dass die Nitrilgruppen enthaltenden Verbindungen (3a–c und 5a–c) als wirksame Ankergruppen für TiO2 dienen.

Molekulare Struktur der Bindung von 5a an die Titanoxidoberfläche.

Die Nitrilfarbstoffe können in einem DSSC eine einstufige Elektroneninjektion in das Leitungsband (CB) von TiO2 durchlaufen, ähnlich wie Übergangsmetallcyanide. Daher ist die Entwicklung von Farbstoffsystemen für die Elektroneninjektion in TiO2 über diesen Weg von großem akademischen und praktischen Interesse36,37,38,39,40. In dieser Studie konzentrierten wir uns auf Sensibilisatoren mit Nitrileinheiten, die durch Chelatisierung von Ti(IV)-Ionen auf der Oberfläche an die Oberfläche von TiO2 binden41. Unter den Nitril-Sensibilisatoren ist Sensibilisator 5a, der eine elektronenziehende Gruppe (F) und eine elektronenspendende Methoxygruppe enthält, das beste Modell. Die dipolare Struktur von 5a verleiht den elektronischen Orbitalen im angeregten Zustand eine Direktionalität, was die direkte, „einstufige“ Elektroneninjektion vom Grundzustand des Farbstoffs zum CB von TiO2 über eine photoinduzierte Ladungstransferanregung des Farbstoffs zum TiO2-Bänder42. Der saure Wasserstoff verlagert sich beim Übergang von den Farbstoffen zum Titankomplex in den Titankomplex (Abbildung 22 in der Zusatzdatei). Die Orbitalverteilung und die Energieniveaus jedes Farbstoffs nach der Wechselwirkung mit der TiO2-Oberfläche wurden untersucht, um die elektronische Verbindung zwischen dem LUMO des Farbstoffs und dem Leitungsband CB des Halbleiters zu untersuchen.

Für den Einsatz organischer Farbstoffe im Bereich der DSSCs müssen einige Anforderungen erfüllt sein, die von den Werten des Grundzustandsoxidationspotentials (GSOP) und des angeregten Oxidationspotentials (ESOP) abhängen34. Mit Hilfe sowohl der Cyclovoltammetrie- als auch der UV-Vis-Spektrometermessungen wurden diese Werte nach der folgenden Gleichung43 berechnet:

Aus Abb. 7 wurde festgestellt, dass die ESOP-Werte der Bithiophenfarbstoffe 3a–c und 5a–c kategorisch sind (– 3,34 eV, – 3,41 eV, – 3,36 eV, – 2,72 eV, – 2,75 eV und – 2,74 eV). ) in Ordnung. Da er höher ist als der Wert des Leitungsbandes von TiO2 (− 4,2 eV), fließen die Elektronen automatisch leicht zum TiO235. Andererseits wurden die GSOP-Werte für Farbstoffe wie folgt ermittelt: − 6,10 eV (3a), − 6,13 eV (3b), − 6,20 eV (3c), − 5,37 eV (5a), − 5,63 eV (5b), und − 5,54 eV (5c). Es wurde auf einem niedrigeren Niveau als der Elektrolyt gefunden (− 5,2 eV), was dabei hilft, Elektronen zum Farbstoff zurückzugeben, um von vorne zu beginnen44,45,46. All dies bedeutet, dass die Farbstoffe die Bedingungen für ihren Einsatz in DSSCs erfüllten. Die 5a–c-Farbstoffe erreichten LUMO-Werte bei höheren Werten als die 3a–c-Farbstoffe, was bedeutet, dass die Flussrate der Elektronen in diesen Farbstoffen zur Oberfläche des Halbleiters höher ist, und dies weist auch darauf hin, dass die Farbstoffe eine hohe Effizienz erzielen, wenn Wird in DSSCs verwendet.

Energieniveaudiagramm der Bithiophenfarbstoffe 3a–c und 5a–c.

Theoretische Berechnungen unter Verwendung der Dichtefunktionaltheorie (DFT) des Gaußschen Programms wurden angewendet, um tiefer in die strukturelle Zusammensetzung der untersuchten Verbindungen einzutauchen. B3LYP/6-311G (d, p) wurde als Funktionsmodell und Basissatz für die erste Optimierung der Strukturen verwendet47,48,49. Die Werte von GSOP, ESOP, E0–0 und simulierten Grenzmolekülorbitalen (FMOs) werden für die verschiedenen Bestätigungen angezeigt und berechnet und es zeigte sich, dass sie mit den von uns erhaltenen praktischen Werten übereinstimmten (Tabelle 2).

Abbildung 8 zeigt die optimierten Strukturen (FMOS und MEP) der Co-Sensibilisatoren 3a–c. Von ihrem FMOS aus konzentriert sich die Verteilung der Elektronen im HOMO auf das gesamte Molekül, während es im LUMO zu einer Verschiebung zum Akzeptorteil hin zur Cyano-Einheit kam. Die berechneten Beiträge verschiedener elektronischer Übergänge, die in Tabelle 1 (ergänzende Datei) dargestellt sind, legen nahe, dass die ICT in den Co-Sensibilisatoren 3a–c und 5a–c durch eine Spitzenabsorption im Bereich von 470–478 nm gekennzeichnet ist, bezogen auf die große Beitrag von HOMO zu LUMO-Übergängen Unterdessen sind die elektronischen π-π*-Übergänge der Verbindungen aufgrund signifikanter Beiträge von HOMO-n zu LUMO + n-Übergängen50. Unter Verwendung des gleichen Basissatzes und der gleichen funktionellen Energie haben wir die elektrostatischen Potentiale (MEPs) der untersuchten Farbstoffe berechnet. Das MEP konzentriert sich auf die Vorhersage physikalisch-chemischer Merkmale wie der reaktiven Gruppen, die mit der Molekülstruktur verbunden sind51. Außerdem ist MEP ein Diagramm des elektrostatischen Potentials, das auf der Oberfläche mit konstanter Elektronendichte aufgetragen wird52. Zur Darstellung der ESP-Werte werden verschiedene Farben verwendet. Ein elektronenreiches Feld wird durch den roten Bereich angezeigt, während elektronenarme Abschnitte durch den blauen Bereich angezeigt werden53.

Die optimierten Strukturen, FMOS und MEP, der Co-Sensibilisatoren 3a–c.

Außerdem zeigt Abb. 9 die optimierten Strukturen, FMOS und MEP, der Co-Sensibilisatoren 5a–c. Bei den Co-Sensibilisatoren 5a–c konzentriert sich die Verteilung der Elektronen im HOMO auf den Donorteil, während es im LUMO zu einer Verschiebung zum Akzeptorteil hin zur Akzeptor-verankernden Einheit kam, was wie gezeigt auf einen besseren Ladungstransfer hinweist in ihren FMO-Werten. MEP demonstrierte auch die Teile mit hoher Elektronendichte und Teile mit niedriger Ladung anhand ihrer unterschiedlichen Farben, von Rot bis Blau.

Die optimierten Strukturen, FMOS und MEP, der Co-Sensibilisatoren 5a–b.

Mit einem Iodolyt-Elektrolyten und simulierter AM 1,5 G-Beleuchtung wurden Photostromdichte-Spannungs-Kurven (I–V) von DSCs basierend auf den Farbstoffen 3a–b und 5a–b zusammen mit N3 erstellt. Die Zusatzdatei enthält Informationen zum Herstellungsprozess und den für die Photovoltaikmessungen verwendeten Instrumenten54,55,56. Aufgrund der bisherigen Messungen und der geringen Größe der hergestellten Farbstoffe 3a–c und 5a–c wurden sie als Co-Sensibilisatoren in DSSCs verwendet, um die Wirkung des Standardfarbstoffs (N3) zu verbessern. Abbildung 10 zeigt die IV-Kurven der Co-Sensibilisatoren 3a–c, 5a–c und N3. Die entsprechenden Daten sind in Tabelle 3 aufgeführt.

IV-Kennlinien der Co-Sensibilisatoren 3a–b und 5a–c mit N3.

Wie in Tabelle 3 gezeigt, erzielten die Farbstoffe 5a + N3 (η = 7,42 %) und 5c + N3 (η = 6,57 %) höhere Effizienzen als N3 (η = 6,16 %) allein. Auch der Wert von JSC und VOC für diese beiden Systeme verbesserte sich. Der Farbstoff absorbiert den Hauptfarbstoff, erhöht die Anzahl der in den Leiter fließenden Elektronen und führt zu einem hohen JSC-Wert. Der Anstieg der VOC ist auf das Auffüllen der vorhandenen Zwischenräume durch die Adsorption der Farbstoffe zurückzuführen, was zu einer größeren Anzahl von Farbstoffen führte, die sich auf der Oberfläche des Leiters ablagerten, und dies führte zu einem Rückgang Aggregation und Spannungsanstieg. Außerdem wurde der Co-Sensibilisierungseffekt von 3a–c, 5a–c und N3 weiter untersucht, indem die Belastung der Photoanode gemessen wurde, die direkt proportional zum Photostromwert war. Tabelle 3 fasst die Ergebnisse der Messung der Konzentration der an TiO2 adsorbierten Co-Sensibilisatoren 3a–c, 5a–c und N3 unter Verwendung von 0,1 M NaOH in einer Kombination aus Dimethylformamid und Wasser (1:1) zusammen. Aufgrund seines verbesserten JSC und der entsprechend erweiterten Lichtsammelkapazitäten lieferte 5a die optimale Co-Sensibilisierungsleistung. Der Anstieg von VOC und JSC führte folglich zu einer Steigerung der Zelleffizienz.

Es wird auch darauf hingewiesen, dass die Farbstoffe 3a–c keinen positiven Effekt auf den Farbstoff N3 erzielten, was ursprünglich auf die Natur des Co-Sensibilisators und dessen Unfähigkeit zurückzuführen war, gut an der Oberfläche des TiO2, d. h. an, zu haften Es kam zu einer Aggregation des Farbstoffs und die Rekombination nahm zu, sodass die Spannung abnahm. Außerdem wurde N3 nicht gut absorbiert, da N3 und Co-Sensibilisator zusammen aggregierten. Dadurch wurde es für Elektronen schwieriger, in das TiO2 einzudringen, sodass das JSC unterging. Tabelle 2 (Ergänzungsdatei) vergleicht die Leistungsparameter von 3a–c, 5a–c und N3 mit kürzlich gemeldeten Hochleistungssensibilisatoren und Co-Sensibilisatoren. Darüber hinaus ist die elektronische Verteilung für die Co-Sensibilisatoren 3a–c aus Abb. 8 das HOMO für die Co-Sensibilisatoren 3a–c zufällig im gesamten Gerüst verteilt, wohingegen sich die LUMOs über das Biphenyl in den Verankerungsteilen (Cyan-Einheiten) befanden -Spacer bedeutet dies, dass das LUMO-Elektronenziel nicht wirklich eng mit dem Leitungsband (CB) von TiO2 übereinstimmt, was zu einer schlechten Elektroneninjektionseffizienz aus dem LUMO der Farbstoffe führen könnte und daher die JSC-Werte im Vergleich zu den anderen Co-Sensibilisatoren sinken und Erhöhung der Ladungsrekombinationsrate an der Grenzfläche TiO2/Farbstoff/Elektrolyt, was mit der Ausrichtung des Energieniveaus an der Grenzfläche zusammenhängen kann. Die Bithienyl-Co-Sensibilisatoren 5a–c zeigen einen effizienten Ladungstransfer zwischen ihrem höchsten besetzten Molekülorbital (HOMO) und ihrem niedrigsten unbesetzten Molekülorbital (LUMO), wie in Abb. 9 dargestellt. Die Elektronendichte ist hauptsächlich auf den Substituenten-Ankergruppen lokalisiert. Dies ermöglicht elektronische Wechselwirkungen zwischen den TiO2-d-Orbitalen und der LUMO-Elektronendichte. Darüber hinaus erleichtert die Koexistenz der HOMO- und LUMO-Niveaus einen schnellen photoinduzierten Elektronentransfer vom Donorteil zur Akzeptorgruppe. Aufgrund dieser erhöhten Ladungstrennung weist 5a eine viel höhere photovoltaische Effizienz auf als andere Sensibilisatoren. Der weitere Farbstoff 5b verbesserte die Leistung des N3 nicht, obwohl sie im JSC zunahm, was auf die Rekombination des Farbstoffs auf der Oberfläche zurückzuführen sein kann, die zu einem verringerten VOC-Wert und damit zu einer Verringerung der Effizienz führte. Um mehr über den Mechanismus der Absorption der Farbstoffe 3a–c und 5a–c auf der Oberfläche von TiO2 zu erfahren, wurde das IR-Spektrum der Farbstoffe auf der Oberfläche von TiO2 gemessen, wie in den Abbildungen 23–28 in den Zusatzdateien dargestellt . Es wurde festgestellt, dass der Wert der Cyanogruppe (CN) verschwand oder ihre Absorption in den Proben abnahm, was bestätigt, dass die Bindung über die Cyanogruppe erfolgte. Abbildung 11 zeigt die Spektren der einfallenden Photonen-zu-Strom-Umwandlungseffizienz (IPCE) von Geräten, die mit N3 sensibilisiert und mit 2,2′-Bithiophen-basierten 3a–c und 5a–c co-sensibilisiert wurden. Die IPCE-Spektren aller dieser Zellen zeigten eine breite Reaktion innerhalb eines großen Wellenlängenbereichs (300–650 nm), was darauf hindeutet, dass alle Farbstoffe das sichtbare Licht effizient in Photostrom umwandeln können. Die höheren IPCE-Werte der mit den Bithiophen-Co-Sensibilisatoren 3a–c und 5a–c co-sensibilisierten Geräte können auf deren verbesserte photovoltaische Eigenschaften zurückgeführt werden. Darüber hinaus zeigten N3-basierte Zellen, die mit den Co-Sensibilisatoren 5a–c hergestellt wurden, eine höhere Quanteneffizienz (IPCE-Wert) als N719 allein, was möglicherweise auf die geeignete Mischung von organischem Farbstoff und Ru-II-Komplex und das Vorhandensein einer zusätzlichen elektronenziehenden Gruppe zurückzuführen ist. Darüber hinaus können die erhöhten IPCE-Werte auf erhöhte JSC-Werte zurückgeführt werden, die IPCE-Integralflächen von DSSCs weisen eine Reihenfolge für Farbstoffe von 5a + N3 > 5c + N3 > 5b + N3 > N3 > 3a + N3 > 3b + N3 > 3c + auf N3, Trend von stimmt mit dem Trend von JSC überein. Die durch 5a + N3 co-sensibilisierte Zelle zeigte die höchste IPCE-Reaktion entsprechend ihrem höchsten Jsc-Wert von 18,14 mA cm−2 und ergab über 65 % IPCE-Werte von 300 bis 650 nm. Diese Beobachtung spricht stark dafür, dass während des Farbstoffbeladungsprozesses die Co-Sensibilisatoren zusammen mit N3 miteinander interagiert haben sollten. Eine solche Wechselwirkung neigt im Allgemeinen dazu, einen Elektronen- und Energietransfer zwischen den beiden Arten zu induzieren und führt daher zu einer Verschlechterung der Zellleistung. Die co-sensibilisierte Zelle weist in den JV-Messungen den höchsten Jsc-Wert auf, was auf ihre breiteste und höchste IPCE-Reaktion zurückzuführen ist57. Darüber hinaus trägt der verbesserte Voc-Wert der co-sensibilisierten Zelle in Verbindung mit ihrem höchsten Jsc-Wert zu ihrem weiter erhöhten PCE-Wert im Vergleich zu dem von 5a + N3 bei, wobei die verbesserte IPCE-Reaktion von (3a-c und 5a-c) interpretiert wird in Bezug auf den höheren JSC-Wert, der die gleiche Reihenfolge aufwies: 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 im Vergleich zu N3 (16,93 mA cm−2). Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Strukturoptimierung mit der 3a–c- und 5a–c-Architektur im Vergleich zu den aus den J–V-Daten erhaltenen Jsc-Werten ein Schlüssel zur Erzielung einer höheren Effizienz ist Die aus den IPCE-Spektren integrierten JscIPCE-Werte sind ziemlich konsistent. Infolgedessen erzeugt der Co-Sensibilisator-Farbstoff 5a das umfangreichste IPCE-Spektrum, was beweist, dass er auch das größte Jsc aufweist. Die verbesserten IPCE-Antworten stimmen mit den verbesserten Jsc-Ergebnissen überein.

IPCE-Spektren und integrierte Ströme von DSSCs basierend auf den Co-Sensibilisatoren 3a–b und 5a–c mit N3.

Andererseits verschwand der Wert von Cyano und F für 5a–c, was die Assoziation dieser Farbstoffe mit Cyano und Fluor zusammen bestätigt. Mithilfe der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) wurde der Ladungsübertragungswiderstand an der Grenzfläche TiO2/Farbstoff/Elektrolyt untersucht58,59. Dies geschah, um mehr über den Zusammenhang zwischen der Struktur der Moleküle und ihrer photovoltaischen Leistung zu erfahren. Der mittlere Bereich im Nyquist-Diagramm, wie in Abb. 12 dargestellt, stellt die Beziehung zwischen TiO2, dem Farbstoff und dem Elektrolyten dar. Der Durchmesser dieses Teils der Kurve steht in klarem Zusammenhang mit der Farbstoffrekombination; Je größer der Durchmesser, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit einer Rekombination, was zu einem Anstieg der Leerlaufspannung führt60. In den Nyquist-Diagrammen wurde festgestellt, dass der Radius des großen Halbkreises im mittleren Frequenzbereich 5a + N3 > 5c + N3 > N3 > 5b + N3 > 3b + N3 > 3a + N3 > 3c + N3 beträgt, was die Reihenfolge zeigt des Ladungsrekombinationswiderstands Rrec an der Grenzfläche TiO2/Farbstoff/Elektrolyt. DSSCs mit einem steigenden Rrec-Wert weisen eine langsamere Ladungsrekombination zwischen dem injizierten Elektron und \(I_{3}^{ - }\)-Ionen im Elektrolyten auf. Es wurde berechnet, dass der Ladungsrekombinationswiderstand dieser Farbstoffe (RCT), der dem Durchmesser des Mittelfrequenzhalbkreises entspricht, in der Größenordnung von 5a + N3 (23,21 Ω), 5c + N3 (21,24 Ω), N3 (20,34 Ω), 5b abnimmt + N3 (18,19 Ω), 3b + N3 (16,58 Ω), 3a + N3 (15,56 Ω), 3c + N3 (14,29 Ω), in guter Übereinstimmung mit den Photospannungsdaten der Bestellung. Dadurch erhöht sich der Voc. Dementsprechend scheint diese Abfolge von Voc-Werten konsistent zu sein. Dadurch weist das 5a + N3-System mit dem größten Durchmesser die niedrigste Rekombinationsrate und die höchsten VOC auf, was mit den Photovoltaik-Werten übereinstimmt.

Nyquist-Diagramme der Verbindungen 3a–c und 5a–c mit N3-Basis.

In den Bode-Frequenzdiagrammen Abb. 13 kann durch Anwendung der folgenden Gleichung die Elektronenlebensdauer für in das TiO2-Leitungsband injizierte Elektronen durch (τeff = 1/2πf)58 berechnet werden, wobei τ die in TiO2 injizierte Elektronenlebensdauer und f die Mitte darstellt -Frequenzpeak in Bode-Diagrammen, der direkt mit der Elektronenlebensdauer zusammenhängt. Die Elektronenlebensdauern von DSSCs, die mit Co-Sensibilisatoren sensibilisiert wurden, wurden durch Bode-Frequenzdiagramme bestimmt. Durch die Analyse der Bode-Phasendiagramme kann die Häufigkeit der im Mittelfrequenzbereich beobachteten Peaks zur Beurteilung der Elektronenlebensdauer innerhalb des Halbleiters (τr (ms)) verwendet werden. Dies bietet zusätzliche Einblicke in die Ladungsrekombinationsrate, die an der Grenzfläche von auftritt TiO2/Farbstoff/Elektrolyt. Die Werte der Mittelfrequenzpeaks der Bode-Plots zeigten die Reihenfolge: 5a + N3 > 5c + N3 > N3 > 5b + N3 > 3b + N3 > 3a + N3 > 3c + N3, was auf Folgendes hinweist: Die entsprechenden Elektronenlebensdauern werden wie folgt eingestuft: 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), stimmte auch gut mit Voc überein. Die Elektronenlebensdauer und die Ladungsrekombinationsrate an der Grenzfläche von TiO2/Farbstoff/Elektrolyt werden durch Faktoren wie die Größe und Form des Farbstoffmoleküls54 sowie beeinflusst das Farbstoffadsorptionsverhalten. Diese Faktoren haben einen starken Einfluss auf die Photospannung von Solarzellen, wie bereits in der Literatur berichtet wurde. In dieser Studie wurde festgestellt, dass die Werte von Rrec und se für die neuen Co-Sensibilisator-Farbstoffe konsistent sind die entsprechenden VOC-Werte der Solarzellen. Die Verwendung des 5a-Co-Sensibilisators in DSSCs führte zu höheren VOC-Werten im Vergleich zu anderen Sensibilisatoren, einschließlich N3, aufgrund der geringeren Ladungsrekombinationsrate an der TiO2/Farbstoff/Elektrolyt-Grenzfläche, was auf die Stärke der Donoreinheit zurückzuführen ist.

EIS-Bode-Diagramme der Verbindungen 3a–c und 5a–c mit N3-Basis.

Die Stabilität farbstoffsensibilisierter Solarzellen (DSSCs) ist ein zentrales Thema, das angegangen werden muss, um ihre langfristige Rentabilität als Technologie für erneuerbare Energien sicherzustellen. Die Stabilität von Co-Sensibilisatoren wurde gemessen und in das Manuskript aufgenommen, wie in dargestellt Abb. 14: Die hohe Photostabilität der 3a–c- und 5a–c/N3-Farbstoffe für DSSC-Anwendungen wird durch die Tatsache bestätigt, dass die Zelle selbst nach 100-stündiger Beleuchtung eine hervorragende Stabilität ohne erkennbare Verschlechterung der Anfangsleistungen aufweist. Die überlegene Langzeitstabilität des Co-Sensibilisators 5a kann auf die hydrophoben Eigenschaften der substituierten Methoxygruppe zurückgeführt werden, die an die Bithienyl-Spacer-Addition an Akzeptoreinheiten (F und CN) gebunden ist.

Stabilität von 3a–c und 5a–c mit N3-Basis.

Unser Team erzielte bedeutende Erfolge durch die Entwicklung und Synthese von sechs organischen Farbstoffen (3a–c und 5a–c) unter Verwendung einer einfachen, aber effektiven D-π-A-Struktur. Durch die Darstellung der strukturellen Effekte von Elektronendonor- und -akzeptorgruppen haben diese Farbstoffe einen neuen Trend zur Verbesserung der photovoltaischen Fähigkeiten von farbstoffsensibilisierten Solarzellen (DSSCs) eingeleitet. Um die Effizienz unserer Farbstoffe zu bewerten, haben wir sie mit dem Standardfarbstoff N3 co-sensibilisiert. Die Absorptionsspektren co-sensibilisierter TiO2-Filme werden intensiver und breiter als die der einzelnen Farbstoffe. Die EIS-Daten deuten auf eine verringerte Rekombination der injizierten Elektronen mit den Triiodidionen und eine längere Elektronenlebensdauer hin. Daher wird für 5a und 5c eine Verbesserung der Leerlauf-Photospannung (Voc) erreicht. Unter optimalen Bedingungen liegen der Wirkungsgrad der Leistungsumwandlung (4,13–7,42 %) und der Kurzschlussstrom (JSC) im Bereich (14,13–18,14 mA cm−2). Unsere Mischfarbstoffe 5a und N3 zeigten einen bemerkenswerten Wirkungsgrad von 7,42 %, und mit weiterer Optimierung erreichten wir eine Kurzschlussstromdichte von 18,14 mA cm−2 und eine hohe Leerlaufspannung (VOC) von 0,676 V. Der außergewöhnliche JSC Der Wert kann auf das Vorhandensein von zwei Verknüpfungsgruppen (CN und F) zurückgeführt werden, die die Absorption des Farbstoffs 5a erhöhen, wie durch die UV-Vis-Absorption über TiO2-Oberflächen bestätigt. Der maximale VOC-Wert hingegen ist auf die große Oberfläche der beiden Farbstoffe 5a und N3 zurückzuführen. Der Anstieg von Jsc und Voc korreliert eng mit der Verbesserung der Lichtabsorption bzw. der Verringerung der Ladungsrekombination. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass die Abstimmung der elektronenspendenden Gruppen entscheidend für die Verbesserung der Lichtsammeleffizienz von Co-Sensibilisatoren ist.

Alle Daten, die die Schlussfolgerungen dieses Artikels stützen, sind im Artikel und im Zusatzdokument enthalten.

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Die Autoren danken der Mansoura University, Ägypten, für ihre Unterstützung unter der Projekt-ID: MU-SCI-22-31.

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Fakultät für Chemie, Fakultät für Naturwissenschaften, Universität Mansoura, El-Gomhoria Street, Mansoura, 35516, Ägypten

Mohamed R. Elmorsy, Fatma H. Abdelhamed, Safa A. Badawy, Ehab Abdel-Latif und Mohamed A. Ismail

Fachbereich Chemie, Fakultät für Naturwissenschaften, Ain Shams University, Abbassia, Kairo, 11566, Ägypten

Ayman A. Abdel-Shafi

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Korrespondenz mit Mohamed R. Elmorsy.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Elmorsy, MR, Abdelhamed, FH, Badawy, SA et al. Design, Synthese und Leistungsbewertung von TiO2-Farbstoff-sensibilisierten Solarzellen unter Verwendung von Co-Sensibilisatoren auf 2,2′-Bithiophen-Basis. Sci Rep 13, 13825 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40830-1

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Eingegangen: 09. Juni 2023

Angenommen: 17. August 2023

Veröffentlicht: 24. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-40830-1

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