Conception, synthèse et évaluation des performances du TiO2

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13825 (2023) Citer cet article

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Nous rapportons la synthèse et la caractérisation de six nouveaux composés organiques à base de 2,2′-bithiophène (3a – c et 5a – c) conçus pour servir de co-sensibilisateurs pour les cellules solaires sensibilisées par colorant (DSSC) à base de TiO2. . Les composés sont liés à divers groupes donneurs et accepteurs, et nous confirmons leurs structures chimiques par des analyses spectrales. Notre objectif est d’améliorer les performances du N3 à base de métal, et les composés ont été conçus pour fonctionner à l’échelle nanométrique. Nous avons effectué des mesures d'absorption et d'émission de fluorescence dans le diméthylformamide (DMF), où l'un de nos composés 5a présentait les longueurs d'onde d'absorption et d'émission maximales les plus longues, indiquant l'impact significatif du groupe para méthoxy en tant que groupe donneur d'électrons puissant. Nos colorants 5a + N3 (η = 7,42 %) et 5c + N3 (η = 6,57 %) ont surpassé N3 (η = 6,16 %) à eux seuls, où les valeurs de densité de courant court (JSC) et de tension en circuit ouvert (VOC) pour ceux-ci deux systèmes ont également été améliorés. Nous avons également étudié la résistance au transfert de charge à l’interface TiO2/colorant/électrolyte en utilisant la spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS), ce qui est important dans le contexte de la nanotechnologie. Selon le tracé de Nyquist, le cocktail 5a + N3 présentait le taux de recombinaison le plus faible, ce qui entraînait le taux de COV le plus élevé. Nos calculs théoriques basés sur la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) sont également en accord avec le processus expérimental. Ces résultats suggèrent que nos composés ont un grand potentiel en tant que co-sensibilisateurs DSSC efficaces. Cette étude fournit des informations précieuses sur la conception et la synthèse de nouveaux composés organiques destinés à être utilisés comme co-sensibilisateurs dans les DSSC à base de TiO2 et met en évidence le potentiel de ces composés pour une utilisation efficace dans la conversion de l'énergie solaire.

Les cellules solaires fabriquées à partir de colorants organiques, connues sous le nom de cellules solaires sensibilisées aux colorants (DSSC), constituent une technologie qui s'inscrit dans les technologies d'avenir pour la fabrication de cellules solaires à faible coût1,2,3,4. L’un des principes essentiels de la création d’une cellule solaire sensibilisée aux colorants implique la création d’une couche de TiO2 nanocristalline hautement poreuse5. Cette couche sert de surface sur laquelle un photosensibilisateur, ou colorant, avec un coefficient d'extinction molaire élevé est chimiquement fixé pour former l'électrode de travail de la cellule solaire. L’électrode de travail est ensuite séparée d’une contre-électrode en platine par un électrolyte liquide iodure-triiodure6,7. L'électrolyte contient un couple rédox, comme \(I_{3}^{ - } / I^{ - }\), fermé par une contre-électrode (souvent du platine)8.

Les photosensibilisateurs sont un composant crucial des DSSC car ils ont la capacité de convertir la lumière incidente en électrons excités pouvant être utilisés pour générer du courant électrique. Cela rend leur rôle essentiel dans la performance globale du DSSC, par rapport aux autres composants9. Il existe deux types de colorants qui ont fait preuve d’efficacité lorsqu’ils sont utilisés dans cette application. Le premier type, qui est un colorant organique sans métal, se caractérise par sa force d'absorption élevée et dépend de l'utilisation de fragments donneurs tels que la phénothiazine, l'indoline, le carbazole, la triphénylamine et de colorants naturels tels que la bétalaïne et l'anthocyane, extraits de la betterave et canneberges, ou un mélange de trois photosensibilisateurs naturels dérivés de la Roselle, des épinards et de la betterave10, pour améliorer l'efficacité des DSSC11,12,13, liant les fragments accepteurs diketopyrrolopyrrole, benzothiadiazole, cyanoacétamides et benzotriazole14,15,16,17,18 . Le deuxième type est celui des colorants à base de métaux, dont les plus connus sont les composés du ruthénium tels que le cis-Bis(isothiocyanato) bis(2,2′-bipyridyl-4,4′-dicarboxylato ruthénium(II) N3, le di-tétrabutylammonium cis -bis(isothiocyanato)bis(2,2′-bipyridyl-4,4′-dicarboxylato)ruthénium(II) N719 et colorant noir19,20. Les performances du deuxième type sont meilleures que celles du premier, mais il est désavantagé par son coût élevé et ses méthodes de préparation complexes21,22,23. Afin de tirer parti des deux types, le processus de co-sensibilisation, qui consiste à utiliser différents types de colorants p; dans la même préparation, a été utilisé dans cette application24,25. ,26,27,28.