Yeni A3B tipi çinko(II) ftalosiyaninlerin hazırlanması ve kokteyl boya olarak fotovoltaik uygulamaları
Preparation of new A3B type zinc(II)phtalocyanine and itsapplications to photovoltaics as cocktail
- Tez No: 750037
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ALTUĞ MERT SEVİM
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 146
Özet
YENİ A3B TİPİ ÇİNKO(II)FTALOSİYANİNLERİN HAZIRLANMASI VE KOKTEYL BOYA OLARAK FOTOVOLTAİK UYGULAMALARI ÖZET Fosil yakıtların kullanımı yıldan yıla arttığından, kaynakları çok yakında tükenecek ve mevcut tahminler; alternatiflerin yakın gelecekte büyük bir katkı yapması gerektiğini gösteriyor. Bu bakımdan temiz ve yenilenebilir enerji, fosil yakıtlara iyi bir alternatiftir. Son zamanlarda, güneş enerjisi dönüşümüne artan ilgiyle birlikte, organik yarıiletkenlerin fotovoltaik cihazlara uygulanması yeni bir ivme kazanmıştır. Organik yarıiletkenler, minimum çevresel etki ve sınırsız kullanılabilirlik ile büyük ölçekli enerji üretimi potansiyeline sahiptir. Yirmi yıldan fazla bir süre önce ortaya çıktıklarından beri, boyaya duyarlı güneş pilleri, standart silikon fotovoltaiklere alternatif olarak büyük bir potansiyel yarattı. Temiz bir enerji kaynağı olarak fotovoltaik güneş hücrelerinin performansı sürekli olarak gelişirken, bu cihazların üstesinden gelinmesi gereken bazı temel verimlilik ve kararlılık sınırlamaları vardır ve geliştirilmeye açıktır. Özellikle, bu cihazlara dahil edilmek için umut vaat eden adaylar olduklarından, ftalosiyaninler(Pc) boyaya duyarlı güneş pillerinin (DSSC'ler) geliştirilmesinde çok önemli bir rol oynamıştır. Birçok organik bileşik arasında ftalosiyaninler, düzlemsellik, simetri, elektron delokalizasyonu, geniş sıcaklık aralığında sağlamlık, maliyet etkinlikleri gibi bazı mükemmel özelliklere sahiptir ve birçok optoelektronik uygulamada kullanılmaktadır. Ftalosiyanin (Pc) molekülleri, karakteristik cross-like şekle yol açan dört izoindol grubunu birbirine bağlayan bir iç porfirazin halkasından oluşan, düzlemsel, 18 π- konjuge elektron aromatik halka sistemlerine sahip, makrosiklik bileşiklerdir. Ftalosiyaninler, güneş spektrumunun kırmızı/yakın kızılötesi (NIR) bölgesinde güçlü absorpsiyona neden olan 18 delokalize elektron içeren, termal ve kimyasal olarak kararlı iki boyutlu tetrapirol makrolarıdır.Yoğun Soret- ve Q-bandları ile ayırt edilirler, ikincisi 300.000 M-1 cm-1 kadar yüksek molar sönüm katsayıları ve yüksek floresans kuantum verimleri sergiler. Metal iyonuna bağlı olarak moleküler elektronik ve optik özellikler bir dereceye kadar uyarlanabilir. DSSC'ler de sistemin temelini geniş bant aralıklı yarıiletkenler (TiO2, ZnO SnO2), boya molekülleri, elektrolit ve karşıt elektrot oluşturmaktadır. DSSC'lerde boyaların görevi güneş ışınlarını absorplayarak elektron sağlamak olduğu için uygun boyanın geliştirilmesine yönelik yoğun çalışmalar devam etmektedir. Pc'nin fiziksel ve optik özelliklerinin uyarlanması, halkaya bir metal ilave edilerek veya çeşitli ligandlarla eksenel ve/veya çevresel ikame yoluyla elde edilebilir. Genellikle metalli boyalar ışık spekturumunun geniş dalga boylarını absorplayabilme özellikleri nedeniyle iyi verimler göstermektedirler. Standart güneş ışığı şartları altında (AM 1.5G) güç üretiminin en yüksek verimi, Ru(II)-polipropil kompleks kullanımı ile %12'leri aşarken, ftalosiyaninler (Pc)'in kullanımı ile yaklaşık %6 ve porfirinler (Por) kullanıldığında %7- 9 olarak belirlenmiştir. Pc'ler yakın IR bölgede güçlü absorpsiyon yapan ender boyalardır. Fakat Pc'lerin 400-600 nmarasındaki absorbsiyonu düşüktür. xxii Günümüzde, ikame edilmemiş Pc`ler, agregasyona yönelik kuvvetli eğilimleri ve düşük çözünürlükleri bir yana, yarı iletken yüzeyine bağlanmalarına izin verecek bir ankraj grubunun olmaması sebebiyle artık DSSC alanında ilgi görmemektedir. Agregasyon ve çözününürlük gibi önemli noktaları iyileştirmek amacıyla simetrik olmayan ftalosiyaninlerin kullanıldığı ve ancak bu şekilde beklenen olumlu sonuçlar gözlemlenmektedir. TiO2 yüzeyi ile daha iyi bağlanma için izoindolin birimlerinden birinde bir asit ikamesine sahip olacak şekilde sentezlenebilir. Işığa duyarlılaştırıcılar olarak potansiyel uygulamaları için, diğer üç izoindolin birimi, onları daha çözünür hale getirmek, saflaştırmayı kolaylaştırmak ve DSSC uygulamasında istenmeyen bir etkiye sahip olan agregasyonu engellemek için farklı ikame edicilerle işlevselleştirilebilir. Bu tez kapsamında yapılan çalışmada karboksilik asit grupları içeren farklı ftalonitril bileşikleri ve çözünürlüğü arttırıcı-agregasyon engelleyici ligandlar siklotetramerizasyona uğratılarak direkt hedef mono karboksilik asit sübstitüe A3B tipi çinko Pc'lerin sentezi gerçekleştirilmiştir. Belirtilen bölgede güçlü absorpsiyonu bulunan Por boyaları ile sentezlenen Pc'ler birlikte kullanılarak güneş spektrumunun büyük çoğunluğu absorplanarak yüksek verime sahip DSSC'lerin geliştirilmesi hedeflenmiştir. Hazırlanan fotoanotların yüzeyine, sentezlenen dört farklı ZnPc boyaları adsorblandıktan sonra belirli oranlardaki karışımlarının UV-Vis spektroskopisi ile soğuracakları ışık spektrumları belirlenmiştir. Başarılı şekilde oluşturulan DSSC'lerin elektrokimyasal performans testleri gerçekleştirilmiş ve güneş pili karakterizasyonları yapılarak hedeflenen verime ulaşıldığı anlaşılmıştır. IPCE ve hücre stabilitesi ölçümleri, DSSC dönüşüm verimleri elde edilen YD2 + ZnPc boya karışımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu sayede standart güneş ışığı altında hazırlanan DSSC'lerin hem absorplanan güneş spektrumunun bölgesi hem de stabilitesi belirlenerek gelecekteki ticari kullanımları için önemli veriler elde edilmiştir.
Özet (Çeviri)
PREPARATION OF NEW A3B TYPE ZINC(II)PHTALOCYANINE AND ITS APPLICATIONS TO PHOTOVOLTAICS AS COCKTAIL SUMMARY As the usage of fossil fuels grows year after year, their resources will soon be depleted, and current predictions indicate that alternatives will play a significant role in the near future. Clean and renewable energy is a viable alternative to fossil fuels in this aspect. With the growing interest in solar energy conversion, the use of organic semiconductors in photovoltaic systems has recently gained momentum. Organic semiconductors have the potential to generate massive amounts of energy with little environmental impact and limitless supply. Dye-sensitized solar cells offer a significant potential as an alternative to ordinary silicon photovoltaics since their introduction more than two decades ago. While photovoltaic solar cells are improving their efficiency and stability as a clean energy source, they still have some significant efficiency and stability constraints that must be overcome and are open to development. Phthalocyanines(Pc), in particular, have been instrumental in the development of dye-sensitized solar cells (DSSCs), as they are promising candidates for use in these devices. Planarity, symmetry, electron delocalization, robustness across a wide temperature range, and cost-effectiveness are among the many great features of phthalocyanine, which is used in numerous optoelectronic applications. Phthalocyanine (Pc) molecules are macrocyclic compounds with planar, 18- conjugated electron aromatic ring systems that consist of an inner porphyrazine ring joining four isoindole groups, giving them their distinctive cross-like structure. They are two-dimensional tetrapyrrole macros with 18 delocalized electrons that induce significant absorption and are thermally and chemically stable. Dense Soret- and Q- bands separate them, with the latter having molar extinction coefficients as high as 300,000 M-1 cm-1 and strong fluorescence quantum yields. The molecule electronic and optical characteristics can be adjusted to some extent depending on the metal ion. In DSSCs, the system is built around wide band gap semiconductors (TiO2, ZnO, SnO2), dye molecules, electrolyte, and counter electrode. Because the purpose of dyes in DSSCs is to provide electrons by absorbing sunlight, extensive research is being conducted to find acceptable dyes. Adding a metal to the ring or axial and/or circumferential substitution with other ligands can be used to adapt the physical and optical properties of Pc. Metal-complex dyes, in general, work well because of their ability to absorb a wide range of light wavelengths. It has been discovered that the highest efficiency of power generation under regular sunlight circumstances (AM 1.5G) exceeds 12 percent when using Ru(II)-polypropyl complex, about 6% when using phthalocyanines (Pc), and 7-9% xxiv when using porphyrins (Por). Pcs are a type of dye that absorbs a lot of light in the near infrared range. Pcs, on the other hand, have a low absorption between 400 and 600 nm. Due to the lack of an anchor group that would allow them to be connected to the semiconductor surface, unsubstituted Pcs are no longer of interest in the DSSC area, let alone their significant tendency for aggregation and low solubility. Unsymmetrical phthalocyanines are employed to improve crucial aspects such as aggregation and solubility, and excellent results are expected. For enhanced TiO2 surface binding, it can be produced with an carboxylic acid substitution in one of the isoindoline units. The other three isoindoline units can be functionalized with different substituents to make them more soluble, easier to purify, and reduce aggregation, which is undesired in DSSC applications. Different phthalonitrile compounds with carboxylic acid groups and solubility- enhancing-aggregation inhibitor ligands were cyclotetramerized to produce direct target monocarboxylic acid substituted A3B type zinc Pcs in this investigation. The main goal is to build high-efficiency DSSCs that absorb the majority of the solar spectrum utilizing Pc's made with Por dyes, which have substantial absorption in the desired region. After the four different ZnPc dyes were produced and adsorbed on the surface of the manufactured photoanodes, UV-Vis spectroscopy was used to determine the light spectra of their mixtures at various ratios. Electrochemical performance tests of successfully produced DSSCs were conducted, and it was discovered that solar cell characterizations were used to attain the desired efficiency. The YD2 + ZnPc dye mixture derived from DSSC conversion efficiencies was used for IPCE and cell stability assessments. In this method, the absorbed solar spectrum region as well as the stability of the DSSCs created in standard sunlight were determined, and essential data for their future commercial application was obtained.
Benzer Tezler
- 4-(triflorometoksi)fenoksi grupları içeren ftalosiyaninlerin sentezi, tıpta, biyolojide ve ileri teknolojide kullanılabilirliklerinin araştırılması
Synthesis of phthalocyanines containing 4- (trifluorometoxy) phenoxy groups and investigation of their usability in medicine, biology, and advanced technology
NAZLI FARAJZADEH
- A3B tipi yeni asimetrik ftalosiyaninler
New kinds of A3B-type unsymmetrical phthalocyanines
PINAR BUYUK
- Functional alkynyl-linked mono and double-decker metal phthalocyanines for multi-disciplinary biological and photoconductive applications
Farklı biyolojik ve foto iletken uygulamaları için fonksiyonel alkinil grupları içeren mono ve sandviç metalli ftalosiyaninler
JAVARIA AFTAB
- Schiff bazı sübstitüe yeni asimetrik ftalosiyaninler
Schiff base substituted new asymmetric phthalocyanines
MUSTAFA MALKOÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2011
KimyaGebze Yüksek Teknoloji EnstitüsüKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FATMA YÜKSEL
