DSSC'lerde kullanılmak üzere türevlendirilen bodıpy tabanlı boyaların elektronik yapı, optik özellikleri ve yük transfer mekanizmalarının dft ile incelenmesi
DFT investigation of the electronic structure, optical properties, and charge transfer mechanisms of derived bodipy-based dyes for application in DSSCs
- Tez No: 1010397
- Danışmanlar: PROF. YUSUF ERDOĞDU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Gazi Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu çalışmada, boya duyarlı güneş pillerinde (DSSC) duyarlılaştırıcı olarak kullanılabilecek bor–dipirometen temelli bir boya olan BODIPY-B'nin yapısal, elektronik, spektroskopik ve fotovoltaik özellikleri yoğunluk fonksiyonel teorisi (DFT) ve zaman bağımlı yoğunluk fonksiyonel teorisi (TD-DFT) yöntemleri kullanılarak ayrıntılı biçimde incelenmiştir. Hesaplamalar kapsamında molekülün geometrik yapısı, torsiyonel bariyerleri, HOMO–LUMO enerji seviyeleri ve ışık soğurma özellikleri belirlenmiş; ayrıca ışık hasat verimliliği (LHE), elektron enjeksiyon sürücü kuvveti (ΔGinject), iyonlaşma potansiyeli (IP), elektron ilgisi (EA) ve reorganizasyon enerjileri gibi fotovoltaik performansla ilişkili temel parametreler değerlendirilmiştir. Bunun yanında titreşimsel analizler ile NMR ve UV–Vis spektrumları teorik olarak incelenmiş ve elde edilen sonuçlar deneysel bulgularla birlikte yorumlanmıştır. Çalışmanın ikinci aşamasında DSSC uygulamaları için tasarlanan iki farklı boya serisi (Boya-1–9 ve Boya-10–22) karşılaştırmalı olarak ele alınmıştır. Bu boyalar enerji seviye hizalanması, soğurma davranışı, elektron enjeksiyonu ve rejenerasyon süreçleri ile reorganizasyon enerjileri gibi parametreler açısından değerlendirilmiştir. Elde edilen bulgular, tasarımda kullanılan elektron verici ve çekici grupların boya moleküllerinin optik ve elektronik özellikleri üzerinde belirleyici rol oynadığını göstermiştir. Boya-1–9 serisinin özellikle optik özellikler bakımından dikkat çekici olduğu, absorpsiyon maksimumlarının görünür bölgenin büyük bir kısmına ve yakın kızılötesi bölgeye kaydığı belirlenmiştir. Dar bant aralıkları ve güçlü π-konjugasyon, bu serinin yüksek ışık hasadı ve potansiyel akım yoğunluğu açısından avantaj sağlayabileceğini ortaya koymaktadır. Buna karşılık Boya-10–22 serisi, daha dengeli bir elektronik yapı ve uygun enerji seviye hizalanması sergilemiş; düşük reorganizasyon enerjileri ve elverişli enjeksiyon-rejenerasyon dengesi ile öne çıkmıştır. Genel değerlendirme, optik açıdan güçlü absorpsiyon özellikleri ile dengeli yük transfer parametrelerini bir araya getiren hibrit bir moleküler tasarım yaklaşımının, DSSC performansını artırmada etkili olabileceğini göstermektedir. Bu yönüyle çalışma, BODIPY tabanlı yeni nesil duyarlılaştırıcıların tasarımına yönelik teorik bir çerçeve sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
In this study, the structural, electronic, spectroscopic, and photovoltaic characteristics of a boron–dipyrromethene-based dye (BODIPY-B), considered as a potential sensitizer for dye-sensitized solar cells (DSSCs), were investigated using density functional theory (DFT) and time-dependent density functional theory (TD-DFT). The computational analysis focused on the optimized geometry, torsional behavior, frontier molecular orbital energies, and optical absorption properties of the dye. Key photovoltaic descriptors, including light-harvesting efficiency (LHE), electron injection driving force (ΔGinject), ionization potential (IP), electron affinity (EA), and reorganization energies, were evaluated to better understand the charge-transfer characteristics of the system. In addition, vibrational, NMR, and UV–Vis spectra were analyzed theoretically and interpreted together with available experimental data. In the second part of the study, two dye series (Dye-1–9 and Dye-10–22) designed for DSSC applications were comparatively examined. These molecules were assessed in terms of energy level alignment, absorption behavior, electron injection and regeneration processes, and overall charge-transfer dynamics. The results indicate that the nature of the donor and acceptor substituents plays a decisive role in determining the optoelectronic performance of the dyes. The Dye-1–9 series exhibited pronounced optical activity, with absorption maxima extending toward the red and near-infrared region, suggesting strong light-harvesting potential. In contrast, the Dye-10–22 series showed more balanced electronic structures, favorable energy alignment with the semiconductor, and relatively low reorganization energies, supporting efficient charge transfer. Overall, the findings suggest that combining the strong absorption characteristics of the first series with the balanced charge-transfer features of the second may provide an effective strategy for designing high-performance BODIPY-based sensitizers. This work therefore offers a theoretical framework for the development of next-generation DSSC dyes.
Benzer Tezler
- Elektrokimyasal olarak indirgenmiş grafen oksit (ERGO)-TiO2 nanokompozit elektrotların hazırlanması ve boya duyarlı güneş pillerinde (DSSC'lerde) fotoanot olarak kullanılması
Fabrication of electrochemically reduced graphene oxide (ERGO)-TiO2 nanocomposite electrodes for dye sensitized solar cells (DSSC) as photoanode
ZEYNEP SELİN BAŞARAN
- Computational Investigation of Electronic and Photophysical Properties of Boron dipyridylmethene (DIPYR) Derivatives
Bor Dipridilmeten (DIPYR) Türevlerinin Elektronik ve Fotofiziksel Özelliklerinin Hesapsal Olarak İncelenmesi
MERVE İLBAY
Doktora
İngilizce
2020
KimyaEge ÜniversitesiFen Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ARMAĞAN KINAL
PROF. DR. NURSEL AÇAR SELÇUKİ
- Organik tabanlı güneş hücrelerinde kullanılabilecek ftalosiyaninlerin hesapsal olarak araştırılması, tasarımı ve sentezi
Design, computational screening and synthesis of novel phthalocyanines as organic based solar cell materials
MERAL ARI
- Perovskit güneş hücreleri için boşluk taşıyıcı malzemelerin sentez ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of hole transporti̇ng materials for perovskit solar cells
BÜŞRA ÇUHADAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYFER KALKAN BURAT
- Boya duyarlı güneş hücreleri için bazı 2,4,6-triarilpiridin türevlerinin sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of some 2,4,6-triarylpyri̇di̇ne derivatives for dye-sensitized solar cells
DİLEK ARSLAN