Diseño, síntesis y evaluación del desempeño de TiO2.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 13825 (2023) Citar este artículo

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Informamos sobre la síntesis y caracterización de seis nuevos compuestos orgánicos a base de 2,2′-bitiofeno (3a – c y 5a – c) que están diseñados para servir como cosensibilizadores para células solares sensibilizadas por colorante (DSSC) basadas en TiO2. . Los compuestos están vinculados a varios grupos donantes y aceptores, y confirmamos sus estructuras químicas mediante análisis espectrales. Nuestro objetivo es mejorar el rendimiento del N3 a base de metal, y los compuestos se diseñaron para funcionar a nanoescala. Realizamos mediciones de absorción y emisión de fluorescencia en dimetilformamida (DMF), donde uno de nuestros compuestos 5a exhibió las longitudes de onda máximas de absorción y emisión máxima más largas, lo que indica el impacto significativo del grupo parametoxi como un fuerte grupo donador de electrones. Nuestros tintes 5a + N3 (η = 7,42%) y 5c + N3 (η = 6,57%) superaron al N3 (η = 6,16%) solo, donde los valores de densidad de corriente corta (JSC) y voltaje de circuito abierto (VOC) para estos Dos sistemas también mejoraron. También investigamos la resistencia de transferencia de carga en la interfaz TiO2/tinte/electrolito mediante espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS), que es importante en el contexto de la nanotecnología. Según el gráfico de Nyquist, el cóctel 5a + N3 exhibió la tasa de recombinación más baja, lo que resultó en el VOC más alto. Nuestros cálculos teóricos basados en la teoría funcional de la densidad (DFT) también están de acuerdo con el proceso experimental. Estos hallazgos sugieren que nuestros compuestos tienen un gran potencial como cosensibilizadores DSSC eficientes. Este estudio proporciona información valiosa sobre el diseño y la síntesis de nuevos compuestos orgánicos para su uso como cosensibilizadores en DSSC basados en TiO2 y destaca el potencial de estos compuestos para su uso en la conversión eficiente de energía solar.

Las células solares fabricadas con tintes orgánicos, conocidas como células solares sensibilizadas por tintes (DSSC, por sus siglas en inglés), son una tecnología que se enmarca dentro de las tecnologías futuras para la fabricación de células solares a bajo coste1,2,3,4. Uno de los principios esenciales en la creación de una célula solar sensibilizada con colorante implica la creación de una capa de TiO2 nanocristalino altamente porosa5. Esta capa sirve como superficie sobre la cual se une químicamente un fotosensibilizador o tinte con un alto coeficiente de extinción molar para formar el electrodo de trabajo de la célula solar. Luego, el electrodo de trabajo se separa de un contraelectrodo de platino mediante un electrolito líquido de yoduro-triyoduro6,7. El electrolito contiene un par redox, como \(I_{3}^{ - } / I^{ - }\), cerrado por un contraelectrodo (a menudo de platino)8.

Los fotosensibilizadores son un componente crucial de las DSSC, ya que tienen la capacidad de convertir la luz incidente en electrones excitados que pueden usarse para generar corriente eléctrica. Esto hace que su papel sea fundamental en el rendimiento general del DSSC, en comparación con otros componentes9. Hay dos tipos de tintes que han demostrado eficacia cuando se utilizan en esta aplicación. El primer tipo, que es un tinte orgánico libre de metales, se caracteriza por su alta fuerza de absorción y depende del uso de fracciones donantes como fenotiazina, indolina, carbazol, trifenilamina y tintes naturales como betalaína y antocianina, extraídas de la remolacha y arándanos, o una mezcla de tres fotosensibilizadores naturales derivados de Roselle, espinacas y remolacha10, para mejorar la eficiencia de las DSSC11,12,13, enlazadoras de los restos aceptores dicetopirrolopirrol, benzotiadiazol, cianoacetamidas y benzotriazol14,15,16,17,18 . El segundo tipo son los tintes a base de metales, los más famosos de los cuales son los compuestos de rutenio como cis-bis(isotiocianato) bis(2,2′-bipiridil-4,4′-dicarboxilato rutenio(II) N3, di-tetrabutilamonio cis -bis(isotiocianato)bis(2,2′-bipiridil-4,4′-dicarboxilato)rutenio(II) N719 y colorante negro 19,20. El rendimiento del segundo tipo es mejor que el primero, pero tiene la desventaja de su alto costo y métodos de preparación complejos21,22,23. Para aprovechar ambos tipos, en esta aplicación se utilizó el proceso de cosensibilización, que es el uso de diferentes tipos de colorantes p; en una misma preparación24,25 ,26,27,28.

Nuestra investigación contribuye al creciente conjunto de conocimientos sobre el desarrollo de DSSC eficientes y de bajo costo, que tienen implicaciones significativas para la energía renovable. El uso de compuestos orgánicos como cosensibilizadores en DSSC es un área activa de investigación y nuestros hallazgos tienen el potencial de hacer avanzar aún más este campo. En general, nuestra investigación destaca la importancia de desarrollar enfoques innovadores para mejorar el rendimiento de las DSSC y, en última instancia, contribuir al esfuerzo global para la transición hacia fuentes de energía limpias y sostenibles. Por lo tanto, con base en lo mencionado, se han preparado compuestos orgánicos (3a–c y 5a–c) de fácil preparación y de pequeño tamaño para ser utilizados como cosensibilizadores para mejorar el tinte comercial N3. La composición química de los diferentes tintes y del tinte comercial N3 se muestra en la Fig. 1.

Estructuras moleculares de los cosensibilizadores 3a – c, 5a – c y N319.

Los procedimientos sintéticos para los compuestos 3a – c y 5a – c se proporcionan en el archivo complementario. Los derivados de bitienilbenzonitrilo 3a-c se prepararon mediante el derivado de bromobitienilo 129 a reflujo con ácido 4-metoxifenilborónico (2a), ácido 3,4-dimetoxifenilborónico (2b) y ácido 3,5-dimetoxifenilborónico (2c) en 1,4-dioxano como un disolvente utilizando Pd(PPh3)4 como catalizador y K2CO3 como base (Fig. 2). El compuesto 3a se prepara con un procedimiento actualizado mediante la reacción de acoplamiento de Suzuki con buen rendimiento (75%) en comparación con el 51% del trabajo anterior30.

Esquema de síntesis de los derivados del bitienilbenzonitrilo.

Los análisis elemental y espectral se utilizaron para confirmar las estructuras de los derivados de bitienilbenzonitrilo 3a-c. Las cifras correspondientes (Figuras 1 a 9) se proporcionan en los archivos complementarios. El espectro de 1H-NMR del compuesto 3b mostró dos señales singlete de grupos dimetoxi en δ 3,78 (para -OCH3), 3,83 (meta OCH3), dos señales dobletes, en δ 6,99 (J = 8,5 Hz), δ 7,22 (J = 2,5 Hz). ), junto con un doblete de señal doblete en δ 7,20 (J = 8,5, 2,5 Hz) correspondiente al anillo de benceno trisustituido 1,3,4, y cuatro señales como doblete que se refieren a bitiofeno-H en δ 7,40 (1H), 7,41 ( 1H), 7,46 (1H) y 7,74 (1H). Además de la señal singlete en δ 7,86 (4H) de benzonitrilo-H. El espectro de masas del compuesto 3b dio un pico de ion molecular m/z en 403 (M+, 100), junto con un fragmento en 388 (M+-CH3).

La Figura 3 describe la preparación de los derivados de bitienilfluorobenzonitrilo 5a – c comenzando con una reacción de acoplamiento de Suzuki mediante una reacción de acoplamiento cruzado del derivado de bromo bitienilo 431 con los ácidos fenilborónicos adecuados 2a – c. Las estructuras de los bitienilfluorobenzonitrilos 5a – c se confirmaron en función de sus análisis elementales y espectrales. Las cifras correspondientes (Figuras 10 a 18) se proporcionan en los archivos complementarios. Los espectros IR de los bitienil fluorobenzonitrilos 5a-c indicaron la presencia de un grupo ciano con vibraciones de estiramiento en el rango de 2228–2229 cm-1. El espectro de 1H-NMR del derivado 5a de bitienil flurobenzonitrilo muestra una señal singlete que se refiere a para -OCH3 en δ 3,78, patrón de división AA'BB' de dos señales dobletes en δ 6,98, 7,61 (J = 8,5 Hz, dos protones cada uno) de Ar-H del anillo de 4-metoxifenilo y dos señales dobletes, un protón cada uno (J = 3,5 Hz) de un resto de tiofeno y una señal multiplete que se refiere a 2H del otro resto de tiofeno, junto con un doblete de doblete en δ 7,67 (J = 8,0, 1,5 Hz) y señal multiplete correspondiente al anillo de benceno trisustituido 1,3,4. Además, el espectro de masas del compuesto 5a dio un pico de ion molecular m/z en 391 (M+, 100) como pico de base, junto con un fragmento en 376 (M+-CH3) como se describe en la Fig. 4.

Esquema de síntesis de los derivados de bitienilfluorobenzonitrilo 5a – c.

Patrones de fragmentación de masas de bitienilfluorobenzonitrilos 5a, 5b.

El espectro de 1H-NMR del compuesto 5b mostró dos señales singulete que se refieren a grupos 3,4-dimetoxi en δ 3,78 (para -OCH3), 3,83 (meta -OCH3), dos señales dobletes, en δ 6,99 (J = 8,0 Hz), δ 7,25 (J = 1,5 Hz), junto con un doblete en δ 7,22 (J = 8,0, 1,5 Hz) correspondiente al anillo de benceno trisustituido 1,3,4, y cuatro señales que se refieren a bitiofeno-H; además de dos señales integradas para Ar-H del anillo de fluorobenzonitrilo. El espectro de masas del compuesto 5b dio un pico de ion molecular m/z en 421 (M+, 100) como pico de base, junto con un fragmento en 406 (M+-CH3) debido a la pérdida de un grupo metilo, patrones de fragmentación de masa (Fig. 4) fueron consistentes con la literatura reportada32.

Las mediciones de absorción y emisión de fluorescencia se realizaron en DMF. El cambio batocrómico observado en los espectros de emisión de fluorescencia no es tan pronunciado como el observado en los espectros de absorción correspondientes. La longitud de onda de máxima absorción y la transición E0-0 de los espectros de emisión de fluorescencia se recogen en la Tabla 1.

Como se muestra en la Figura 19 en el archivo complementario, se presenta una clase simple de D – π – A que muestra claramente la influencia estructural de los grupos donadores y aceptores de electrones. El derivado de bitiofeno 5a muestra la absorbancia máxima \({\uplambda }_{{{\text{max}}}}^{{{\text{abs}}}}\) y la emisión máxima a \({\uplambda }_ {{{\text{max}}}}^{{{\text{em}}}}\) que indica el efecto del grupo metoxi como fuerte grupo donador de electrones y la fuerza mejorada del grupo ciano aceptor de electrones por la presencia de flúor átomo en su posición orto. Los derivados de bitiofeno 3c y 5c son similares en los grupos metadimetoxi donadores de electrones, lo que muestra aproximadamente el mismo máximo de emisión de fluorescencia y un desplazamiento batocrómico de pocos nanómetros con el análogo fluorado. Se descubrió que el análogo fluorado de los derivados orto-dimetoxi aumentaba el desplazamiento batocrómico como se ha observado para el análogo para-mono metoxi. Esto se puede atribuir a la presencia de procesos de TIC desde el meta metoxi en la fracción donadora de electrones hasta el átomo de metaflúor en el grupo aceptor, que interfiere con las TIC desde orto metoxi a la vía del ciano. El espectro de absorción de N3 se muestra en la Figura 20 del archivo complementario.

También estudiamos el espectro UV-Vis de los tintes en la superficie del TiO2 (Fig. 5). A través de los resultados, quedó claro que el espectro es más amplio que el de la solución. Esto confirma la absorción de los colorantes en la superficie del TiO2. También se observó que los colorantes 5a-c tenían una absorción a una longitud de onda más larga que la de la solución, lo que resultó de la agregación J33. La presencia de dos grupos de enlace (CN y F) da como resultado la mayor absorción de los tintes 5a-c, mientras que el grupo ciano está presente solo en los tintes 3a-c. Los resultados antes mencionados indican que los tintes 5a – c podrían dar resultados interesantes cuando se usan en DSSC. El espectro de absorción de N3 anclado a TiO2 se muestra en la Figura 21 del archivo complementario.

Absorción UV/Vis de los colorantes de bitiofeno 3a – c y 5a – c absorbidos sobre TiO2.

La Figura 6 proporciona información adicional sobre el mecanismo por el cual nuestros tintes de nitrilo se anclan a la superficie de TiO2. Este proceso de anclaje está respaldado por el hecho de que se ha observado que varios compuestos, incluidos cianuros de metales de transición, forman complejos de transferencia de carga (CT) visibles con iones Ti(IV) en las superficies34,35,36. Esto da como resultado fuertes bandas de transferencia de carga de tinte a TiO2 (DTCT), lo que indica que los compuestos que contienen grupos nitrilo (3a – c y 5a – c) sirven como grupos de anclaje eficaces para TiO2.

Estructura molecular de 5a uniéndose a la superficie de titania.

Los tintes de nitrilo pueden someterse a una inyección de electrones en un solo paso en la banda de conducción (CB) del TiO2 en un DSSC, similar a los cianuros de metales de transición. Por lo tanto, desarrollar sistemas de colorantes para la inyección de electrones al TiO2 a través de esta vía es de gran interés académico y práctico36,37,38,39,40. En este estudio, nos centramos en sensibilizadores con unidades de nitrilo que se unen a la superficie del TiO2 mediante la quelación de los iones Ti(IV) de la superficie41. Entre los sensibilizadores de nitrilo, el sensibilizador 5a, que contiene un grupo aceptor de electrones (F) y un grupo metoxi donador de electrones, es el mejor modelo. La estructura dipolar de 5a proporciona direccionalidad a los orbitales electrónicos en el estado excitado, lo que mejora la inyección directa de electrones en "un solo paso" desde el estado fundamental del tinte al CB de TiO2 mediante la excitación por transferencia de carga fotoinducida del tinte a Bandas de TiO242. El hidrógeno ácido se traslada al complejo de titanio durante el cambio al complejo de titanio desde los tintes, Figura 22 en el archivo complementario. Se investigaron la distribución orbital y los niveles de energía de cada tinte después de la interacción con la superficie de TiO2 para estudiar la conexión electrónica entre el LUMO del tinte y la banda de conducción CB del semiconductor.

Hay algunos requisitos que deben cumplirse para utilizar colorantes orgánicos en el campo de las DSSC, que dependen de los valores del potencial de oxidación del estado fundamental (GSOP) y del potencial de oxidación del estado excitado (ESOP)34. Con la ayuda de las mediciones de voltamperometría cíclica y del espectrómetro UV-Vis, estos valores se calcularon mediante la siguiente ecuación43:

En la Fig. 7, se encontró que los valores de ESOP de los colorantes de bitiofeno 3a – c y 5a – c son categóricos (− 3,34 eV, − 3,41 eV, − 3,36 eV, − 2,72 eV, − 2,75 eV y − 2,74 eV). ) en orden. Dado que es más alto que el valor de la banda de conducción del TiO2 (− 4,2 eV), los electrones fluirán automáticamente fácilmente hacia el TiO235. Por otro lado, los valores de GSOP para colorantes se encontraron de la siguiente manera: − 6,10 eV (3a), − 6,13 eV (3b), − 6,20 eV (3c), − 5,37 eV (5a), − 5,63 eV (5b), y − 5,54 eV (5c). Se encontró en un nivel más bajo que el electrolito (-5,2 eV), lo que ayuda a devolver electrones al tinte para empezar de nuevo44,45,46. Todo esto significa que los tintes cumplían las condiciones para su uso en DSSC. Los tintes 5a-c alcanzaron valores LUMO a niveles más altos que los tintes 3a-c, lo que significa que el caudal de electrones en estos tintes hacia la superficie del semiconductor es mayor, y esto también indica que los tintes darán una alta eficiencia cuando utilizado en DSSC.

Diagrama de niveles de energía de los colorantes de bitiofeno 3a – c y 5a – c.

Se aplicaron cálculos teóricos utilizando la teoría funcional de la densidad (DFT) del programa Gaussiano para profundizar en la composición estructural de los compuestos en estudio. B3LYP/6-311G (d, p) se utilizó como modelo funcional y conjunto de bases para la primera optimización de las estructuras47,48,49. Los valores de GSOP, ESOP, E0–0 y orbitales moleculares de frontera simulados (FMO) se muestran y calculan para las diferentes afirmaciones, y demostraron estar de acuerdo con los valores prácticos que obtuvimos (Tabla 2).

La Figura 8 muestra las estructuras optimizadas, FMOS y MEP, de los cosensibilizadores 3a – c. A partir de su FMOS, la distribución de los electrones en el HOMO se concentra en toda la molécula, mientras que en el LUMO hubo un desplazamiento de la parte aceptora hacia el resto ciano. Las contribuciones calculadas de varias transiciones electrónicas, presentadas en la Tabla 1 (archivo complementario), sugieren que las TIC en los cosensibilizadores 3a-c y 5a-c se caracterizan por una absorción máxima en el rango de 470 a 478 nm, relacionada con la gran contribución de las transiciones de HOMO a LUMO Mientras tanto, las transiciones electrónicas π – π* de los compuestos, se deben a contribuciones significativas de las transiciones de HOMO-n a LUMO + n50. Utilizando el mismo conjunto de bases y energía funcional, calculamos los potenciales electrostáticos (MEP) de los tintes investigados. El eurodiputado se concentra en anticipar características fisicoquímicas como los grupos reactivos asociados a la estructura molecular51. Además, MEP es un gráfico del potencial electrostático, trazado sobre la superficie de densidad electrónica constante52. Se utilizan diferentes colores para mostrar los niveles de ESP. Un campo rico en electrones se muestra en el área roja, mientras que las secciones pobres en electrones se indican en la región azul53.

Las estructuras optimizadas, FMOS y MEP, de los cosensibilizadores 3a – c.

Además, la Fig. 9 muestra las estructuras optimizadas, FMOS y MEP, de los cosensibilizadores 5a – c. Para los cosensibilizadores 5a-c, la distribución de los electrones en el HOMO se concentra en la parte donante, mientras que en el LUMO, hubo un cambio hacia la parte aceptora hacia la fracción de anclaje del aceptor, lo que indicó una mejor transferencia de carga como se muestra. en sus niveles de FMO. El MEP también demostró las piezas de alta densidad electrónica y las piezas de baja carga según sus diferentes colores, del rojo al azul.

Las estructuras optimizadas, FMOS y MEP, de los cosensibilizadores 5a – b.

Con un electrolito de yodolito e iluminación AM 1,5 G simulada, se realizaron curvas de densidad de fotocorriente-voltaje (I – V) de DSC basadas en los tintes 3a – by 5a – b junto con N3. El expediente complementario contiene información sobre el proceso de fabricación y los instrumentos utilizados para las mediciones fotovoltaicas54,55,56. Debido a lo que mostraron las mediciones anteriores y al pequeño tamaño de los tintes 3a – c y 5a – c que se fabricaron, se utilizaron como cosensibilizadores en DSSC para que el tinte estándar (N3) funcionara mejor. La Figura 10 muestra las curvas I – V de los cosensibilizadores 3a – c, 5a – c y N3. Los datos correspondientes se registran en la Tabla 3.

Curvas características IV de los cosensibilizadores 3a – b y 5a – c con N3.

Como se muestra en la Tabla 3, los tintes 5a + N3 (η = 7,42%) y 5c + N3 (η = 6,57%) lograron eficiencias más altas que el N3 (η = 6,16%) solo. También mejoró el valor de JSC y VOC para estos dos sistemas. El tinte absorbe el tinte principal, lo que aumenta la cantidad de electrones que fluyen hacia el conductor y da como resultado un valor JSC alto. En cuanto al aumento de VOC, se debe al llenado de los espacios intersticiales existentes debido a la adsorción de los colorantes, lo que provocó que un mayor número de colorantes perforaran la superficie del conductor, y esto conlleva una disminución de agregación y un aumento en el voltaje. Además, el impacto de la cosensibilización de 3a – c, 5a – c y N3 se investigó más a fondo midiendo la carga en el fotoánodo, que es directamente proporcional al valor de la fotocorriente. La Tabla 3 resume los hallazgos de la medición de la concentración de los cosensibilizadores 3a – c, 5a – c y N3 adsorbidos en TiO2 utilizando NaOH 0,1 M en una combinación de dimetilformamida y agua (1:1). Como resultado de su JSC mejorado y sus capacidades de recolección de luz adecuadamente ampliadas, 5a proporcionó el rendimiento de cosensibilización óptimo. En consecuencia, el aumento de VOC y JSC condujo a un aumento de la eficiencia de la célula.

También se observa que los tintes 3a-c no lograron un efecto positivo sobre el tinte N3, y esto se debió originalmente a la naturaleza del cosensibilizador y su incapacidad para adherirse bien a la superficie del TiO2, es decir, un Se produjo agregación del tinte y la recombinación aumentó, por lo que el voltaje disminuyó. Además, el N3 no se absorbió bien porque el N3 y el cosensibilizador se agregaron juntos. Esto hizo que fuera más difícil para los electrones entrar en el TiO2, por lo que el JSC se hundió. La Tabla 2 (archivo complementario) compara los parámetros de rendimiento de 3a – c, 5a – c y N3 con el sensibilizador y cosensibilizador de alto rendimiento informado recientemente. Además, en la distribución electrónica de los cosensibilizadores 3a – c, de la Fig. 8, el HOMO para los cosensibilizadores 3a – c se distribuye aleatoriamente por todo el marco, mientras que los LUMO se ubicaron en las partes de anclaje (unidades de ciano) a través del bifenilo. -espaciador, esto significa que el destino de los electrones LUMO no coincide exactamente con la banda de conducción (CB) del TiO2, lo que podría conducir a una pobre eficiencia de inyección de electrones desde el LUMO de los tintes y, por lo tanto, los valores JSC disminuyeron en comparación con los otros cosensibilizadores. y aumentar la tasa de recombinación de carga en la interfaz de TiO2/tinte/electrolito, que puede estar relacionado con la alineación del nivel de energía en la interfaz. Los cosensibilizadores de bitienilo 5a – c exhiben una transferencia de carga eficiente entre sus niveles de orbital molecular ocupado más alto (HOMO) y de orbital molecular desocupado más bajo (LUMO), como se ve en la Fig. 9. La densidad de electrones se localiza principalmente en los grupos de anclaje sustituyentes. permitiendo interacciones electrónicas entre los orbitales d del TiO2 y la densidad electrónica de LUMO. Además, la coexistencia de los niveles de HOMO y LUMO facilita la rápida transferencia de electrones fotoinducida desde la porción donante al grupo aceptor. Debido a esta mayor separación de carga, 5a tiene una eficiencia fotovoltaica mucho mayor que otros sensibilizadores. Además, el tinte 5b no mejoró el rendimiento del N3 aunque sí aumentó en el JSC, lo que puede atribuirse a la recombinación del tinte en la superficie que da como resultado una disminución del valor de VOC y, por tanto, una disminución de la eficiencia. Para obtener más información sobre el mecanismo de absorción de los tintes 3a – c y 5a – c en la superficie de TiO2, se midió el espectro IR de los tintes en la superficie de TiO2, como se muestra en las Figuras 23 a 28 de los archivos complementarios. . Se encontró que el valor del grupo ciano (CN) desapareció o disminuyó su absorción en las muestras, lo que confirma que la unión fue a través del grupo ciano. La Figura 11 muestra los espectros de eficiencia de conversión de fotón a corriente incidente (IPCE) de dispositivos sensibilizados con N3 y cosensibilizados con 3a – c y 5a – c a base de 2,2′-bitiofeno. Los espectros IPCE para todas estas células mostraron una respuesta amplia dentro de un amplio rango de longitud de onda (300 a 650 nm), lo que indica que todos los tintes pueden convertir eficientemente la luz visible en fotocorriente. Los valores IPCE más altos de los dispositivos cosensibilizados con los cosensibilizadores de bitiofeno 3a – c y 5a – c pueden atribuirse a sus características fotovoltaicas mejoradas. Además, las células basadas en N3 fabricadas con el cosensibilizador 5a – c demostraron una mayor eficiencia cuántica (valor IPCE) que el N719 solo, posiblemente debido a la mezcla adecuada de tinte orgánico y complejo Ru-II y la presencia de un grupo auxiliar de extracción de electrones. Además, el aumento de los valores de IPCE se puede atribuir al aumento de los valores de JSC, las áreas integrales de IPCE de las DSSC exhiben un orden para tintes de 5a + N3 > 5c + N3 > 5b + N3 > N3 > 3a + N3 > 3b + N3 > 3c + N3, la tendencia de es consistente con la tendencia de JSC. La célula cosensibilizada por 5a + N3 tuvo la respuesta IPCE más alta correspondiente a su valor Jsc más alto de 18,14 mA cm-2 y dio más del 65% de valores IPCE de 300 a 650 nm. Esta observación sugiere firmemente que durante el proceso de carga de tinte los cosensibilizadores junto con el N3 deberían haber interactuado entre sí. Esta interacción generalmente tiende a inducir la transferencia de electrones y energía entre los dos tipos y, por tanto, provoca un deterioro en el rendimiento de la celda. La célula cosensibilizada exhibe el valor Jsc más alto en las mediciones JV, lo que puede atribuirse a su respuesta IPCE más amplia y más alta57. Además, el valor Voc mejorado de la célula cosensibilizada, junto con su valor Jsc más alto, contribuye a su valor PCE aún mayor en comparación con el de 5a + N3; la respuesta IPCE mejorada de (3a-c y 5a-c se interpreta en términos de mayor valor JSC que mostró el mismo orden de 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 en comparación con N3 (16.93 mA cm-2), estos resultados implican que la optimización estructural con arquitectura 3a-c y 5a-c es clave para obtener una mayor eficiencia, en comparación con los valores de Jsc obtenidos de los datos de J-V, el Los valores de JscIPCE integrados a partir de los espectros IPCE son bastante consistentes. Como resultado, el colorante cosensibilizador 5a produce el espectro IPCE más abundante, lo que demuestra que también tiene el mayor Jsc. Las respuestas IPCE mejoradas coinciden con los resultados mejorados de Jsc.

Espectros IPCE y corrientes integradas de DSSC basadas en cosensibilizadores 3a – b y 5a – c con N3.

Por otro lado, el valor de ciano y F desapareció para 5a-c, lo que confirma la asociación de estos tintes con ciano y flúor juntos. Se utilizó espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) para estudiar la resistencia de transferencia de carga en la interfaz TiO2/tinte/electrolito58,59. Esto se hizo para aprender más sobre la relación entre la estructura de las moléculas y su rendimiento fotovoltaico. El área media que se muestra en el gráfico de Nyquist, como se muestra en la Fig. 12, representa la relación entre el TiO2, el tinte y el electrolito. El diámetro de esta parte de la curva tiene una clara relación con la recombinación de tintes; cuanto mayor es el diámetro, es menos probable que se recombine, lo que da como resultado un aumento en el voltaje del circuito abierto60. En los gráficos de Nyquist, se encontró que el radio del semicírculo grande en el rango de frecuencia media era 5a + N3 > 5c + N3 > N3 > 5b + N3 > 3b + N3 > 3a + N3 > 3c + N3, lo que muestra el orden de resistencia a la recombinación de carga Rrec en la interfaz TiO2/tinte/electrolito. Las DSSC con un valor de Rrec creciente tienen una recombinación de carga más lenta entre el electrón inyectado y los iones \(I_{3}^{ - }\) en el electrolito. Se calculó que la resistencia a la recombinación de carga de estos tintes (RCT) correspondiente al diámetro del semicírculo de frecuencia media disminuye en el orden de 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), en buena concordancia con los datos de fotovoltaje del pedido. Como resultado, la Voc aumenta. En consecuencia, esta secuencia de valores de Voc parece ser consistente. Como resultado, el sistema 5a + N3 con el mayor diámetro tiene la tasa de recombinación más baja y el VOC más alto, lo que concuerda con los valores fotovoltaicos.

Gráficos de Nyquist de los compuestos 3a – c y 5a – c basados en N3.

En los gráficos de frecuencia de Bode, Fig. 13, al aplicar la siguiente ecuación, la vida útil de los electrones inyectados en la banda de conducción de TiO2 se puede calcular mediante (τeff = 1/2πf)58, donde τ representa la vida útil de los electrones inyectados en TiO2 y f es la mitad. -Pico de frecuencia en los gráficos de Bode, que está directamente relacionado con la vida útil de los electrones. La vida útil de los electrones de las DSSC que fueron sensibilizadas utilizando cosensibilizadores se determinó mediante gráficos de frecuencia de Bode. Al analizar los gráficos de fase de Bode, la frecuencia de los picos observados en el dominio de frecuencia media se puede utilizar para evaluar la vida útil del electrón dentro del semiconductor (τr (ms). Esto proporciona información adicional sobre la tasa de recombinación de carga que ocurre en la interfaz de TiO2/tinte/electrolito. Los valores de los picos de frecuencia media de los diagramas de Bode mostraron el orden: 5a + N3 > 5c + N3 > N3 > 5b + N3 > 3b + N3 > 3a + N3 > 3c + N3, indicando el Las vidas de los electrones correspondientes se clasificaron como: 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), también coincidió bien con Voc. La vida útil de los electrones y la tasa de recombinación de carga en la interfaz de TiO2/tinte/electrolito se ven afectadas por factores como el tamaño y la forma de la molécula de tinte54, así como El comportamiento de adsorción del tinte. Estos factores tienen una fuerte influencia en el fotovoltaje de las células solares, como se ha informado anteriormente en la literatura. En este estudio, se encontró que los valores de Rrec y se para los nuevos tintes cosensibilizadores eran consistentes con los correspondientes valores de COV obtenidos para las células solares. El uso del cosensibilizador 5a en DSSC dio como resultado valores de COV más altos en comparación con otros sensibilizadores, incluido el N3, debido a la menor tasa de recombinación de carga en la interfaz TiO2/tinte/electrolito, que se atribuye a la fuerza del resto donante.

Gráficos EIS Bode de los compuestos 3a – cy 5a – c basados en N3.

La estabilidad de las células solares sensibilizadas por colorante (DSSC) es una cuestión clave que debe abordarse para garantizar su viabilidad a largo plazo como tecnología de energía renovable. La estabilidad de los cosensibilizadores se midió y se agregó al manuscrito, como se muestra en Fig. 14, la alta fotoestabilidad de los tintes 3a – c y 5a – c / N3 para aplicaciones DSSC se confirma por el hecho de que la celda exhibe una excelente estabilidad sin degradación perceptible del rendimiento inicial incluso después de 100 h de iluminación. La estabilidad superior a largo plazo del cosensibilizador 5a puede atribuirse a las propiedades hidrófobas del grupo metoxi sustituido unido a la adición del espaciador de bitienilo a los restos aceptores (F y CN).

Estabilidad de 3a – c y 5a – c con base de N3.

Nuestro equipo logró un éxito significativo al diseñar y sintetizar seis tintes orgánicos (3a – c y 5a – c) utilizando una estructura D – π – A simple pero efectiva. Al mostrar los efectos estructurales de los grupos donantes y aceptores de electrones, estos tintes han evaluado una nueva tendencia para mejorar las capacidades fotovoltaicas de las células solares sensibilizadas por tintes (DSSC). Para evaluar la eficacia de nuestros tintes, los cosensibilizamos con el tinte estándar N3. Los espectros de absorción de las películas de TiO2 cosensibilizadas se vuelven más intensos y más amplios que los de los tintes individuales. Los datos del EIS indican una recombinación reducida de los electrones inyectados con los iones triyoduro y una vida útil más larga de los electrones. Por lo tanto, se logra una mejora del fotovoltaje en circuito abierto (Voc) para 5a y 5c. En condiciones óptimas, la eficiencia de conversión de energía varía (4,13 a 7,42 %) y la corriente de cortocircuito (JSC) (14,13 a 18,14 mA cm-2). Nuestros tintes mixtos 5a y N3 exhibieron una notable eficiencia del 7,42% y, con una mayor optimización, obtuvimos una densidad de corriente de cortocircuito de 18,14 mA cm-2 y un alto voltaje de circuito abierto (VOC) de 0,676 V. El excepcional JSC El valor se puede atribuir a la presencia de dos grupos de enlace (CN y F) que aumentan la absorción del tinte 5a, como lo confirma la absorción UV-Vis sobre superficies de TiO2. Por el contrario, el valor máximo de VOC se debe a la gran superficie cubierta por ambos colorantes 5a y N3. El aumento de Jsc y Voc está fuertemente correlacionado con la mejora de la absorción de luz y la reducción de la recombinación de carga, respectivamente. Nuestros hallazgos sugieren que ajustar los grupos donadores de electrones es fundamental para mejorar la eficiencia de los cosensibilizadores en la captación de luz.

Todos los datos que respaldan las conclusiones de este artículo se incluyen en el artículo y en el documento complementario.

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Los autores agradecen a la Universidad Mansoura, Egipto, por su apoyo en el proyecto ID: MU-SCI-22-31.

Financiamiento de acceso abierto proporcionado por la Autoridad de Financiamiento de Ciencia, Tecnología e Innovación (STDF) en cooperación con el Banco Egipcio de Conocimiento (EKB).

Departamento de Química, Facultad de Ciencias, Universidad de Mansoura, El-Gomhoria Street, Mansoura, 35516, Egipto

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

Departamento de Química, Facultad de Ciencias, Universidad Ain Shams, Abbassia, El Cairo, 11566, Egipto

Ayman A. Abdel-Shafi

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MRE: Conceptualización, análisis formal, investigación, redacción-borrador original. FHA y SAB: curación de datos, análisis formal, metodología y software; EA-L. y AAA-S.: Investigación y redacción: revisión y edición; MAI: Supervisión y administración de proyectos.

Correspondencia a Mohamed R. Elmorsy.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Elmorsy, MR, Abdelhamed, FH, Badawy, SA et al. Diseño, síntesis y evaluación del rendimiento de células solares sensibilizadas con tinte TiO2 utilizando cosensibilizadores a base de 2,2′-bitiofeno. Informe científico 13, 13825 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40830-1

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Recibido: 09 de junio de 2023

Aceptado: 17 de agosto de 2023

Publicado: 24 de agosto de 2023

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

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