TiO2の設計・合成・性能評価 | 鄭州染料有限公司

Scientific Reports volume 13、記事番号: 13825 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

我々は、TiO2 ベースの色素増感太陽電池 (DSSC) の共増感剤として機能するように設計された 6 つの新規 2,2'-ビチオフェンベースの有機化合物 (3a ～ c および 5a ～ c) の合成と特性評価について報告します。。化合物はさまざまなドナー基とアクセプター基に結合しており、スペクトル分析によって化学構造を確認します。私たちは金属ベースの N3 の性能を高めることに重点を置いており、化合物はナノスケールで動作するように設計されています。ジメチルホルムアミド (DMF) 中で吸収と蛍光発光の測定を行ったところ、化合物 5a の 1 つが最も長い最大吸収波長と最大発光波長を示し、強力な電子供与基としてのパラメトキシ基の重大な影響が示されました。当社の色素 5a + N3 (η = 7.42%) および 5c + N3 (η = 6.57%) は、N3 (η = 6.16%) 単独よりも優れた性能を示しました。これらの短絡電流密度 (JSC) および開路電圧 (VOC) の値は、 2つのシステムも改善されました。また、電気化学インピーダンス分光法 (EIS) を使用して、TiO2/色素/電解質界面における電荷移動抵抗も調査しました。これは、ナノテクノロジーの文脈において重要です。ナイキストプロットによると、5a + N3 カクテルは最も低い組換え率を示し、その結果、最も高い VOC が得られました。密度汎関数理論 (DFT) に基づく理論計算も実験プロセスと一致しています。これらの発見は、我々の化合物が効率的な DSSC 共増感剤として大きな可能性を秘めていることを示唆しています。この研究は、TiO2 ベースの DSSC で共増感剤として使用する新しい有機化合物の設計と合成に関する貴重な洞察を提供し、これらの化合物が効率的な太陽エネルギー変換に使用できる可能性を強調しています。

色素増感太陽電池（DSSC）として知られる有機色素を用いて製造される太陽電池は、太陽電池を低コストで製造するための将来技術に該当する技術である1,2,3,4。色素増感太陽電池の作成における重要な原理の 1 つは、高度に多孔質のナノ結晶 TiO2 層の作成に関係します5。この層は、太陽電池の作用電極を形成するために、モル吸光係数の高い光増感剤または色素が化学的に結合する表面として機能します。次に、作用電極はヨウ化物-三ヨウ化物液体電解質によって白金対電極から分離されます6、7。電解質には \(I_{3}^{ - } / I^{ - }\) のような酸化還元対が含まれており、対電極 (多くの場合白金) で閉じられています。

光増感剤は、入射光を電流の生成に使用できる励起電子に変換する能力があるため、DSSC の重要なコンポーネントです。このため、他のコンポーネントと比較して、DSSC の全体的なパフォーマンスにおいてそれらの役割が重要になります9。この用途で使用した場合に効果を発揮する染料は 2 種類あります。最初のタイプは金属を含まない有機染料であり、高い吸収強度を特徴とし、フェノチアジン、インドリン、カルバゾール、トリフェニルアミンなどのドナー部分と、ビートルートやビートから抽出されるベタレインやアントシアニンなどの天然染料の使用に依存します。クランベリー、またはローゼル、ほうれん草、ビートの根に由来する 3 つの天然光増感剤のブレンド 10、DSSC 11、12、13 の効率を向上させるため、アクセプター部分のジケトピロロピロール、ベンゾチアジアゾール、シアノアセトアミド、およびベンゾトリアゾールへのリンカー 14、15、16、17、18 。 2 番目のタイプは金属ベースの染料で、最も有名なものは、cis-ビス(イソチオシアナト) ビス(2,2'-ビピリジル-4,4'-ジカルボキシラトルテニウム(II) N3、ジ-テトラブチルアンモニウムシスなどのルテニウム化合物です。 -ビス(イソチオシアナト)ビス(2,2'-ビピリジル-4,4'-ジカルボキシラト)ルテニウム(II) N719、および黒色染料19,20。2 番目のタイプの性能は最初のものよりも優れていますが、次のような欠点があります。両方のタイプの利点を活かすために、同じ調製で異なるタイプの p; 色素を使用する共増感プロセスが、この出願では使用されました 24、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>