Rodamin-6G birimini içeren fotoduyarlaştırıcıların tasarımı ve boya ile duyarlaştırılmış güneş pillerindeki fotoanot ve katot bileşen etkinliklerinin kuantum kimyasal yöntemlerle analizi
Design of photosensitizers incorporating rhodamine-6G unit and analysis of their photoanode and cathode component efficiencies in dye-sensitized solar cells by quantum chemical methods
- Tez No: 952560
- Danışmanlar: PROF. DR. FATMA SEVİN DÜZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Boya ile Duyarlılaştırılmış Güneş Pilleri (DSSC), DFT, Fotoduyarlaştırıcılar, GFN-xTB, Rodamin-6G, TD-DFT, Dye-Sensitized Solar Cells (DSSC), DFT, Photosensitizers, GFN-xTB, Rhodamine-6G, TD-DFT
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Hacettepe Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 130
Özet
Bu çalışmada, rodamin-6G (R6G) birimini içeren özgün fotoduyarlaştırıcılar tasarlanmış ve boya ile duyarlılaştırılmış güneş pillerindeki (DSSC) potansiyelleri teorik olarak değerlendirilmiştir. Fotoduyarlaştırıcılar, Donör-π-köprü-Akseptör (D-π-A) tasarım ilkesi doğrultusunda, donör birimi olarak rodamin-6G, π-köprü birimi olarak tiyofen ve akseptör birimi olarak siyanoakrilik asit kullanılarak tasarlanmıştır. Tasarlanan moleküllerin elektronik yapılarının değerlendirilmesinde iyonlaşma potansiyeli (I), elektron ilgisi (A), kimyasal sertlik (η), kimyasal yumuşaklık (S), elektronegatiflik (χ), elektrofili indeksi (ω), elektrofilik güç (ω⁺), nükleofilik güç (ω⁻) ve maksimum elektron transfer kapasitesi (ΔNmaks) gibi global reaktiflik parametreleri hesaplanmıştır. Fotoanot olarak geliştirilen 12 adet molekülün geometri optimizasyonları ve elektronik yapı analizleri B3LYP/6-31G(d,p) yöntemiyle gerçekleştirilmiş olup, sıfır noktası titreşim enerjileri (EZPVE) ve HOMO-LUMO enerji seviyeleri detaylı şekilde incelenmiştir. Zamana Bağlı Yoğunluk Fonksiyonel Teorisi (TD-DFT) kullanılarak CAM-B3LYP fonksiyoneli ile moleküllerin teorik UV-vis absorpsiyon spektrumları hesaplanmış, elektron yoğunluğu değişim analizleri (EDDM) sonucunda etkin intramoleküler yük transfer süreçleri (ICT) doğrulanmıştır. DSSC performansıyla doğrudan ilişkili fotovoltaik parametrelerden ışık hasadı verimliliği (LHE), elektron enjeksiyon serbest enerji değişimi (ΔGenj), boya rejenerasyon serbest enerji değişimi (ΔGrej), elektron ömrü (τ) ve açık devre potansiyeli (VOC) değerleri hesaplanarak, fotoduyarlaştırıcıların performans potansiyelleri belirlenmiştir. Katot bileşenleri olarak, yine rodamin-6G ve tiyofen birimlerini içeren altı özgün oligomerik yapı tasarlanmıştır. Katot-M1 ve katot-M2 bileşikleri için hekzamere kadar, katot-M3 ile katot-M6 bileşikleri için ise tetramere kadar oligomerik yapılar yarı-deneysel GFN-xTB yöntemi ile modellenmiştir. Zincir uzunluğunun HOMO-LUMO enerji seviyeleri ve bant aralıkları üzerindeki etkileri değerlendirilmiş olup, sonsuz polimerik zincir uzunlukları için teorik enerji seviyeleri öngörülmüştür. Oligomer zincir uzunluğunun artışıyla bant aralıklarının küçüldüğü ve bunun polimerik katot yapılarının elektronik iletkenlik ve yük taşıma yeteneğini artırabileceği tespit edilmiştir. Sonuç olarak, rodamin-6G temelli tasarlanan fotoanot ve katot bileşenlerinin DSSC sistemlerinde teorik olarak yüksek performans sergileyebilecek potansiyele sahip oldukları ortaya konmuş olup, elde edilen sonuçların gelecekte gerçekleştirilecek deneysel çalışmalar için yol gösterici olacağı öngörülmüştür.
Özet (Çeviri)
In this study, novel photosensitizers incorporating the rhodamine-6G (R6G) unit were designed, and their potential in dye-sensitized solar cells (DSSC) was theoretically evaluated. The photosensitizers were modeled based on the Donor-π-bridge-Acceptor (D-π-A) principle, utilizing rhodamine-6G as the donor unit, thiophene as the π-bridge, and cyanoacrylic acid as the acceptor group. Global reactivity descriptors including ionization potential (I), electron affinity (A), chemical hardness (η), chemical softness (S), electronegativity (χ), electrophilicity index (ω), electrophilic power (ω⁺), nucleophilic power (ω⁻), and maximum electron transfer capacity (ΔNmax) were calculated to assess the electronic properties of the designed molecules. Geometry optimizations and electronic structure analyses of 12 designed photoanode molecules were performed using Density Functional Theory (DFT) at the B3LYP/6-31G(d,p) level, focusing on zero-point vibrational energies (EZPVE) and HOMO-LUMO energy levels. Time-Dependent Density Functional Theory (TD-DFT) calculations employing the CAM-B3LYP functional were conducted to obtain theoretical UV-vis absorption spectra. Electron density difference maps (EDDM) analyses confirmed effective intramolecular charge transfer (ICT) processes. Photovoltaic parameters critical to DSSC performance, including light-harvesting efficiency (LHE), electron injection free energy change (ΔGinj), dye regeneration free energy change (ΔGreg), electron lifetime (τ), and open-circuit potential (VOC), were computed to predict the theoretical performance of the photosensitizers. Additionally, six novel thiophene-based oligomeric structures incorporating rhodamine-6G units were designed as cathode components. The semi-empirical GFN-xTB method was used to model these structures, with oligomer lengths extended to hexamers for cathode-M1 and cathode-M2, and to tetramers for cathode-M3 through cathode-M6. HOMO-LUMO energy levels and band gaps were analyzed with respect to oligomer chain length, enabling the theoretical prediction of energy levels for infinite polymeric chains. It was observed that increasing the oligomer chain length resulted in a reduced band gap, suggesting improved electronic conductivity and charge transport properties in polymeric cathode structures. In conclusion, it was theoretically established that the rhodamine-6G-based photoanode and cathode components designed in this study exhibit promising potential for achieving high efficiency in DSSC systems. The obtained results are expected to guide future experimental studies.
Benzer Tezler
- Rodamin 6g Boyarmaddesinin Karaağaç (Ulmus Glabra) ve Dut (Morus Alba) talaşı üzerine adsorpsiyonla atık sulardan uzaklaştırılması
Removal of rhodamine 6g dyestuff from wastewater by adsorption onto ELM (Ulmus glabra) and Mulberry (Morus alba) sawdust
CEYHUN REİS
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
KimyaGümüşhane ÜniversitesiOrmancılık ve Çevre Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DUYGU ÖZDEŞ
- Rodamin türevi boyar maddelerin sentezi, gıda ve çevre örneklerindeki bazı ağır metallerin florimetrik yöntemle tayini
Synthesis of the rhodamine derivative dyes, determination of some heavy metal using fluorimetric method in the food and environmental samples
ESRA ÖZYOL
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
KimyaBozok ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA SAÇMACI
DOÇ. DR. ŞERİFE SAÇMACI
- Naftil türevi rodamin boyar maddelerin sentezi, deneysel ve DFT yöntemlerle spektral karakterizasyonu
Synthesis of naphthyl derived rhodamine dyes, spectral characterization by experimental and DFT methods
SABRİ ALPARSLAN DENİZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
KimyaYozgat Bozok ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA SAÇMACI
DR. ÖĞR. ÜYESİ HATİCE ARI
- Bazı rodamin türevi boyar maddelerin sentez ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of some rhodami̇ne derivative dyes
AYŞEGÜL ATMACA
- Floresans ışık yayan rodamin türevi schiff bazı bileşiklerinin sentez ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of fluorescence light emitting rhodamine derivative schiff base compounds
MÜNÜRE ESRA NAZLI