Sensibilisant naturel extrait de Mussaenda erythrophylla pour teinture

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13844 (2023) Citer cet article

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Dans cette étude, un colorant naturel provenant des fleurs de Mussaenda erythrophylla extraites séparément dans de l'éthanol et de l'eau désionisée a été utilisé comme photosensibilisateur dans les DSSC. Les analyses phytochimiques quantitatives ont été réalisées sur les deux extraits. L'existence de flavonoïdes (anthocyanes) et de pigments de chlorophylle a dans l'extrait éthanolique du colorant a été confirmée par la spectroscopie UV-Visible. L'étude de stabilité réalisée sur ledit extrait éthanolique a confirmé que le colorant extrait à l'éthanol était stable à l'obscurité et ne se dégradait pas pendant près de 50 jours. La présence des molécules de colorant et leur adsorption uniforme sur la surface du P25-TiO2 ont été confirmées respectivement par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier et microscopie à force atomique. De plus, l’influence de la concentration du colorant et du pH sur les propriétés optiques du colorant a également été étudiée. Le colorant naturel extrait dans l'éthanol a été utilisé dans des DSSC, fabriqués en utilisant lesdites photoanodes P25-TiO2 sensibilisées au colorant, \({I}^{-}\)/\({I}_{3}^{-}\) électrolyte et contre-électrode de Pt. Les performances photovoltaïques des dispositifs fabriqués ont été déterminées sous irradiation simulée avec une intensité de 100 mWcm-2 à l'aide d'un filtre AM 1,5. Le dispositif fabriqué avec la photoanode P25-TiO2 sensibilisée par le colorant extrait dans l'éthanol à pH = 5 a présenté le meilleur rendement de conversion de puissance (PCE) de 0,41 % avec un JSC de 0,98 mAcm-2, ce qui pourrait être attribué à l'absorption optimale de la lumière dans la région visible du spectre solaire par les molécules de chlorophylle a et d'anthocyanine dans le colorant naturel extrait.

Les cellules solaires à colorant (DSSC) attirent l'attention du monde entier depuis de nombreuses années en raison de leur faible coût de production et de leur fonctionnement respectueux de l'environnement. Le principe de fonctionnement du DSSC est similaire à la photosynthèse, un processus naturel. Ici, l'appareil est capable de générer de l'énergie en convertissant la lumière du soleil absorbée en énergie électrique. Généralement, un DSSC est composé d'un semi-conducteur à oxyde métallique mésoporeux, d'un sensibilisateur à colorant, d'un électrolyte contenant des ions iodure et triiodure et d'une contre-électrode1. Dans le DSSC, les sensibilisants jouent un rôle clé en captant la lumière du soleil et en la transformant ensuite en énergie électrique. De nombreux complexes métalliques et colorants organiques ont été synthétisés et utilisés comme sensibilisants. Pourtant, les colorants organiques synthétiques à base de ruthénium se révèlent être des sensibilisants efficaces. De loin, l’efficacité la plus élevée, supérieure à 11 %, a été rapportée pour les DSSC sensibilisés par le colorant N719 à base de Ru2. Cependant, les voies de préparation des complexes métalliques reposent souvent sur des procédures en plusieurs étapes impliquant des procédures de purification chromatographique fastidieuses et coûteuses3. Il est prévu que le remplacement des colorants organiques synthétiques par des pigments naturels, tels que la chlorophylle et les anthocyanes, pourrait résoudre les limitations ci-dessus, car ils peuvent être facilement extraits des fruits, des feuilles, des racines et des fleurs des plantes.

Généralement, de nombreuses parties de la plante contiennent de la chlorophylle et des pigments anthocyaniques. La chlorophylle est le pigment le plus abondant dans les plantes vertes et chaque molécule de chlorophylle possède un ion Mg2+ entouré de quatre anneaux pyrrole dont l'un est lié à une queue phytol4. Les molécules de chlorophylle sont décrites comme des photorécepteurs en raison de leur propriété d’absorption de la lumière. Il existe deux types de chlorophylle, à savoir la chlorophylle a et la chlorophylle b, qui diffèrent par leurs structures en position C3 de l'un des cycles pyrrole. La position C3 dudit cycle pyrrole dans la chlorophylle b contient une chaîne latérale formyle (-CHO) alors qu'un groupe méthyle (-CH3) est présent à la même position dans la chlorophylle a5. En raison de la présence de différents substituants, les molécules de chlorophylle a et de chlorophylle b présentent des propriétés d'absorption de la lumière variées. Par conséquent, la chlorophylle absorbe la lumière dans une large gamme de longueurs d’onde correspondant aux régions bleues, rouges et violettes du spectre visible6. L'anthocyanine est un autre pigment responsable de la variété des couleurs des pétales de fleurs et de fruits. L'utilisation d'anthocyanes comme colorant pour le DSSC conduit à l'absorption de la lumière dans la région bleu-vert du spectre solaire7 et les groupes carbonyle et hydroxyle présents dans les molécules d'anthocyane démontrent un ancrage efficace à la surface du TiO2 (photoélectrode), permettant ainsi un mécanisme d'injection d'électrons efficace dans DSSC8.