Progettazione, sintesi e valutazione delle prestazioni del TiO2

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13825 (2023) Citare questo articolo

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Riportiamo la sintesi e la caratterizzazione di sei nuovi composti organici a base di 2,2′-bitiofene (3a–c e 5a–c) progettati per fungere da co-sensibilizzatori per celle solari sensibilizzate con coloranti (DSSC) a base di TiO2 . I composti sono collegati a vari gruppi donatori e accettori e confermiamo le loro strutture chimiche attraverso analisi spettrali. Il nostro obiettivo è migliorare le prestazioni dell'N3 a base metallica e i composti sono stati progettati per funzionare su scala nanometrica. Abbiamo eseguito misurazioni di assorbimento e emissione di fluorescenza in dimetilformammide (DMF), dove uno dei nostri composti 5a ha mostrato le lunghezze d'onda massime di assorbimento e di emissione massime più lunghe, indicando l'impatto significativo del gruppo para metossi come un forte gruppo donatore di elettroni. I nostri coloranti 5a + N3 (η = 7,42%) e 5c + N3 (η = 6,57%) hanno sovraperformato il solo N3 (η = 6,16%), dove i valori di densità di corrente di breve durata (JSC) e tensione a circuito aperto (VOC) per questi migliorati anche due sistemi. Abbiamo anche studiato la resistenza al trasferimento di carica all'interfaccia TiO2/colorante/elettrolita utilizzando la spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS), che è importante nel contesto della nanotecnologia. Secondo il diagramma di Nyquist, il cocktail 5a + N3 ha mostrato il tasso di ricombinazione più basso, risultando nel VOC più elevato. Anche i nostri calcoli teorici basati sulla teoria del funzionale della densità (DFT) sono in accordo con il processo sperimentale. Questi risultati suggeriscono che i nostri composti hanno un grande potenziale come efficienti co-sensibilizzatori DSSC. Questo studio fornisce preziose informazioni sulla progettazione e sintesi di nuovi composti organici da utilizzare come co-sensibilizzatori nei DSSC basati su TiO2 ed evidenzia il potenziale di questi composti per l'uso nella conversione efficiente dell'energia solare.

Le celle solari prodotte utilizzando coloranti organici, note come celle solari sensibilizzate con coloranti (DSSC), sono una tecnologia che rientra nelle tecnologie future per la produzione di celle solari a basso costo1,2,3,4. Uno dei principi essenziali nella creazione di una cella solare sensibilizzata con coloranti prevede la creazione di uno strato nanocristallino di TiO2 altamente poroso5. Questo strato funge da superficie su cui un fotosensibilizzatore, o colorante, con un elevato coefficiente di estinzione molare viene attaccato chimicamente per formare l'elettrodo di lavoro della cella solare. L'elettrodo di lavoro viene quindi separato da un controelettrodo di platino mediante un elettrolita liquido ioduro-triioduro6,7. L'elettrolita contiene una coppia redox, come \(I_{3}^{ - } / I^{ - }\), chiusa da un controelettrodo (spesso platino)8.

I fotosensibilizzatori sono un componente cruciale delle DSSC poiché hanno la capacità di convertire la luce incidente in elettroni eccitati che possono essere utilizzati per generare corrente elettrica. Ciò rende il loro ruolo fondamentale nelle prestazioni complessive del DSSC, rispetto ad altri componenti9. Esistono due tipi di coloranti che hanno dimostrato efficienza se utilizzati in questa applicazione. Il primo tipo, che è un colorante organico privo di metalli, è caratterizzato da un elevato potere di assorbimento e dipende dall'uso di porzioni donatrici come fenotiazina, indolina, carbazolo, trifenilammina e coloranti naturali come Betalaina e Antociani, estratti dalla barbabietola rossa e mirtilli rossi, o una miscela di tre fotosensibilizzatori naturali derivati ​​da roselle, spinaci e barbabietola rossa10, per migliorare l'efficienza delle DSSC11,12,13, linker alle porzioni accettrici dichetopirrolopirrolo, benzotiadiazolo, cianoacetamidi e benzotriazolo14,15,16,17,18 . Il secondo tipo sono i coloranti a base metallica, i più famosi dei quali sono i composti del rutenio come il cis-Bis(isotiocianato)bis(2,2′-bipiridil-4,4′-dicarbossilato rutenio(II) N3, di-tetrabutilammonio cis -bis(isotiocianato)bis(2,2′-bipiridil-4,4′-dicarbossilato)rutenio(II) N719 e colorante nero19,20. La prestazione del secondo tipo è migliore della prima, ma è svantaggiata da i suoi metodi di preparazione complessi e ad alto costo21,22,23. Per sfruttare entrambi i tipi, in questa applicazione è stato utilizzato il processo di co-sensibilizzazione, che consiste nell'uso di diversi tipi di coloranti p; nella stessa preparazione24,25 ,26,27,28.