Geri Dön

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

PDF İndir

  1. Tez No: 444241
  2. Yazar: MERAL ARI
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. HATİCE DİNÇER
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Kimya, Chemistry
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2016
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 190

Özet

Organik tabanlı güneş hücrelerinden boya duyarlı güneş hücreleri (DSCC), alışılagelmiş fotovoltaik cihazların düşük-maliyetli alternatifi olarak çok ilgi çekmektedir. Bu tür güneş hücrelerinde çok çeşitli sınıflara ait boyalar kullanılmaktadır. Porfirinler, ftalosiyaninler, polipiridiller, kumarinler, indolinler, trifenilaminler, konjüge polimerler, perilenler bu sınıflar içinde yer almaktadır. Yakın zamana kadar en yüksek verim (%11) rutenyum polipiridil türevleri kullanılan DSSC'lerde elde edilmiştir. Ancak rutenyum polipiridil boyaların sentezleri zor, çıkış maddeleri pahalı ve molar absorpsiyon katsayıları düşüktür. Organik boyalar rutenyum tabanlı kromoforlara göre daha yüksek molar absorpsiyon katsayısına ve daha çok modifikasyon alternatifine sahiptirler. Böylece istenilen aralıkta absorpsiyon yapan boyarmaddelerin sentezi mümkündür. Yakın zamanda porfirin türevi boyalar kullanılarak %13 verim başarılmıştır. Ftalosiyaninler (Pc) kimyasal ve termal kararlılığa sahiptirler ve makrosilik halkadaki 18 π elektronundan oluşan π -sistemi 400-700 nm arasında çok şiddetli absorbsiyonlara neden olur. Ftalosiyaninlerin LUMO'su ile TiO2 iletkenlik bandı arasında varolan iyi elektronik kaplingi muhafaza ederken, metal oksit yüzeyinde ftalosiyanin agregasyonunu azaltmaya ve boyanın organik çözücülerde çözünürlüğünü arttırmaya yönelik yoğun araştırmalar yapılmaktadır. Son yıllarda asimetrik“push-pull”ftalosiyaninler boya duyarlı güneş hücrelerinde %6 enerji dönüşüm verimliliğine ulaşarak verimli kızıl-absorplayıcı boyalar olarak ortaya çıkmıştır. Bir diğer organik tabanlı güneş hücresi tipi organik yarı iletkenlerden üretilen organik güneş hücreleridir (OSC). Düşük maliyetli fotovoltaik enerji üretme kaynağı olma potansiyeli OSC'lere olan ilgiyi arttırmıştır. Diğer organik yarı iletken aygıtlar gibi ince filmlerden oluşan OSC'lerde farklı film biriktirme yöntemleri, pek çok polimer ve bunların karışımı denenmiştir. OSC'lerin performansı hacimsel heteroeklem (BHJ) kavramı ile birlikte büyük ölçüde geliştirilmiştir. Ftalosiyaninler iyi p-tipi yarı iletkendirler ve zengin redoks kimyası gösterirler. Bu nedenle, ışıl olarak uyarıldıklarında, fulleren türevleri gibi uygun elektron-alıcı boşluklara bağlandıklarında elektron-verici; politiyofenler gibi verici sistemlere bağlandıklarında ise elektron-alıcı olarak davranabilirler. Ayrıca yakın zamanda ftalosiyaninlerdeki elektron hareketliliğinin boşluk hareketliliği kadar yüksek olabileceği gösterilmiştir. Bu özelliklerinden dolayı ftalosiyaninler OSC'ler için de kıymetli fotoaktif malzemelerdir. Bu çalışmada DSSC'lerde kullanılmak üzere uç gruplar olarak üç hekziltiyo (push) ve bir dietoksimalonil (pull) grup içeren yeni asimetrik çinko ftalosiyaninler (6, 7) ve OSC'lerde kullanılmak üzere nonperiferal hekziltiyo-sübstitüe yeni simetrik metalsiz (10) ve metalli ftalosiyaninler (M: Zn, Co, Pb, Cu, Ni, Mg, Mn) (11-18) tasarlanmış ve geometrileri gaz fazında Perdew, Burke ve Ernzerhof (PBE) fonksiyonel ve valans üçlü-zeta baz seti (TZVP) ile yoğunluk fonksiyonel teorisi (DFT) hesapları kullanılarak optimize edilmiştir. Moleküllerin optimize geometrileri baz alınarak PBE / TZVP seviyesinde TDDFT hesapları kullanılarak gaz fazında elektronik absorpsiyon spektrumu ve moleküler orbital özellikleri hesaplanmıştır. Gouterman orbitallerinin elektron yoğunluğu dağılımı ve enerjileri hesaplanmıştır. Bu değerler kullanılarak simetrik ftalosiyaninler için bant aralığı (∆), açık-devre gerilimi (VOC) ve enerjetik itici kuvveti (∆EL-L) hesaplanmış ve verimli hücreler için gereken kriterlerle karşılaştırılmıştır. ∆EL-L değeri hesaplanırken hücredeki akseptör kısmın PCBM olduğu varsayılmıştır. Asimetrik ftalosiyaninler için bu enerji değerleri ile TiO2 ve elektrolit enerji seviyeleri arasında olması gereken ilişki araştırılmıştır. Hesapsal sonuçlar asimetrik ftalosiyaninlerin DSSC'lerde kullanılacak ideal malzemelerin sahip olması gereken 1-1,7 eV HOMO-LUMO aralığına ve yakın kızılötesi bölgede absorpsiyon bantlarına sahip olduğunu göstermektedir. Pc'lerin enerji seviyeleri yarıiletkenin iletkenlik bandı (TiO2 iletkenlik bandı LUMO enerji düzeyi: -4.1 eV) ve boşluk-iletken redoks potansiyeli (I-/I3- redoks çifti HOMO enerji düzeyi: -4.8 eV) ile uyumludur. Bununla birlikte; eşyoğunluk moleküler orbital grafiklerinde farklı tip orbitaller arasında yük ayrımı ve orbitaller arası elektron hareketliliği gözlenebilmektedir. Simetrik ftalosiyaninlerin küçük bant aralıklarının (< 1,3 eV), yakın IR bölgede kızıla kayan absorpsiyon bantlarının (>754 nm) ve derin HOMO enerji düzeylerinin (

Özet (Çeviri)

In the search for efficient, stable, and low-cost alternatives to well-established but expensive silicon-based solar cells, dye-sensitized solar cells (DSSCs), has attracted much attention as a low-cost alternative of conventional photovoltaic devices. Wide variety of dyes like porphyrins, phthalocyanines, polypyridyls, coumarins, indolines, triphenylamines, conjugated polymers, perylenes are used in such solar cells. Until recently, ruthenium polypyridyl derivatives were the ones to establish record efficiencies for solar-energy-to-electricity conversion (11%). However, drawbacks of this system are the lack of light-harvesting capability in the red region of the visible spectrum, low molar extinction coefficients and high costs due to the scarcity of ruthenium metal. Organic dyes have some advantages over conventional Ruthenium based chromophores as photosensitizers. They exhibit high molar extinction coefficients and the absorption wavelengths, as well as the band gaps, are easily tuned by chemical modifications of structural motifs.Thus, synthesis of dye stuffs with desired absorption range is possible. Phthalocyanines (Pcs) have chemical and thermal stability and 18 π-electron conjugated system which causes severe absorption between 400-700 nm. Intensive research has been focused on reducing the undesired aggregation phenomena of phthalocyanines on the metal oxide surface, while keeping a good electronic coupling between the LUMO of the phthalocyanines and the TiO2 conduction band, and a good solubility of the dye in organic solvents. Recently, unsymmetrically substituted ''push–pull'' phthalocyanines have emerged as efficient red-absorbing dyes, reaching power conversion efficiencies of up to 6%. Organic solar cells (OCS) have been the focus of increasing interest due to their potential as a low cost photovoltaic energy producing source. The performance of OSCs has been greatly improved by introduction of the bulk-heterojunction (BHJ) concept as an active layer where electron donor and acceptor materials are mixed in a solution and cast into a thin film sandwiched between two electrodes. In the last decade, large progress has been made in improving the power conversion efficiency (PCE) of organic BHJ solar cells. Today a single junction organic BHJ solar cell with an efficiency of 10% is listed in the efficiency table of the Journal of Progress in Photovoltaics. Although this progress is impressive, the performance of these cells has to be improved for larger scale applications. Phthalocyanines are good p-type semiconductors and present rich redox chemistry, which can be modulated as a function of the peripheral substitution and/or the central metal included in the aromatic cavity.Therefore, once photoexcited, phthalocyanines are capable of acting either as electron-donors when they are connected to appropriate electron-acceptor moieties such as fullerene derivatives, or as electron-acceptors when linked to donor systems such as polythiophenes. Furthermore, recently it has been shown that the electron mobility in phthalocyanines can be as high as the hole mobility. All these features render phthalocyanines valuable photoactive materials. P3HT absorb light with wavelengths ranging from 400 to 600 nm, the incorporation of phthalocyanine molecules absorbing from 600 to 700 nm to the active layer will cause a broadening of the absorption range. In this study we have designed three hexylthio (push) and one dietoxymalonyl (pull) substituted novel asymmetrical phthalocyanines (6, 7) for DSSC's and non-peripherally tetrahexylthio-substituted novel symmetrical metal free (10) and metallo-phthalocyanines (11-18) (M: Zn, Co, Pb, Cu, Ni, Mg, In, Mn) for OSC's. The geometries of the designed complexes in gas phase were optimized using density functional theory (DFT) utilizing Perdew, Burke and Ernzerhof (PBE) functional with valence triple-zeta (TZVP) basis set. Based on the optimized geometries of the molecules, time dependent density functional theory (TDDFT) calculations at the level of PBE/TZVP were carried out to calculate the electronic absorption spectrum and the molecular orbital properties in gas phase. Electron density distribution and energies of the Gouterman orbitals were calculated. By using these values; band gap (∆), open-circuit voltage (VOC) and energetic driving force (∆EL-L) of symmetrical phthalocyanines were calculated and compared with desired efficient cell values. VOC and ∆EL-L values were calculated assuming that PCBM is the acceptor moiety in the cell. The relation between energy level of TiO2 conduction band and electrolyte potential and the energy levels of the asymmetrical derivaties were also studied. Asymmetrical phthalocyanines were calculated to have the parameters required for being an ideal solar cell sensitizer; they have 1-1.7 eV band gap and red-shifted absorption bands. Their energy levels match the conduction band of the semiconductor (LUMO energy level of TiO2 conduction band: -4.1 eV) and the redox potential of the hole-conductor (HOMO energy level of I-/I3- redox pair: -4.8 eV). Besides, electron mobility and charge separation between different type of orbitals could be observed from the isodensity molecular orbital plots. Symmetrical phthalocyanines were found to have small band gaps (< 1.3 eV), red-shifted absorption bands (>754 nm) in NIR region and deep HOMO energy levels (

Benzer Tezler

  1. Tez No

    858117

    Yüksek optik performanslı polimer tabanlı güneş hücre yapılarının geliştirilmesi

    Development of high optical performance polymer-based solar cell structures

    ERMAN ÇOKDUYGULULAR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa

    Mühendislik Bilimleri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SERKAN EMİK

    PROF. DR. BARIŞ KINACI

  2. Tez No

    809360

    A systematic research on rational design and synthesis of innovative materials for developing high-performance perovskite solar cells

    Yüksek performans perovskit güneş hücresi geliştirilmesi için yenilikçi malzemelerin mantıksal tasarımı ve sentezi üzerine sistematik bir araştırma

    ALİEKBER KARABAĞ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    EnerjiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Fen Bilimleri Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. EMRULLAH GÖRKEM GÜNBAŞ

    DOÇ. DR. SAFACAN KÖLEMEN

  3. Tez No

    472827

    Development of polymer based fibers with photovoltaic effect

    Fotovoltaik etki oluşturan polimerik liflerin geliştirilmesi

    KÜBRA İLGEN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2011

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALİ DEMİR

  4. Tez No

    687838

    Elektron iletim tabakasının perovskit güneş pillerinin performansına etkisi

    The effect of the electron transport layer on the performance of perovskite solar cells

    AYŞE NUR ŞAHİN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Fizik ve Fizik MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AHMET ALTINDAL

  5. Tez No

    745413

    Piren merkezli elektroaktif molekül tabanlı organik fotovoltaik güneş hücresi üretimi ve karakterizasyonu

    Pyrene-based elektroactive moleculer-based organic photovoltaic solar cell prodiction and characterization

    MUHAMMET ABDULLAH BALDEMİR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    EnerjiAmasya Üniversitesi

    Yenilenebilir Enerji ve Uygulamaları Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BETÜL CANIMKURBEY

Geri Dön