Diseño teórico de tintes orgánicos a base de tiazol

Diseño teórico de tintes orgánicos a base de tiazolotiazol con diferentes donadores de electrones para células solares sensibilizadas por colorante

Resumen

En este estudio, hemos diseñado cuatro novedosos colorantes donantes orgánicos π-aceptores (D1, D2, D3, D4), utilizados para el tinte células solares sensibilizadas (DSSC). El grupo aceptor de electrones (anclaje) fue 2-cianoacrílico para todos los colorantes mientras que la unidad de donantes de electrones varió (cumarina, indolina, carbazol, trifenilamina) y la influencia fue investigado. Estos colorantes, basados ​​en tiazolotiazol como π-espaciador, se estudiaron mediante densidad funcional teoría (DFT) y sus enfoques extensibles dependientes del tiempo DFT (TDDFT) para arrojar luz sobre cómo la π-conjugación. El orden influye en el rendimiento de los tintes en los DSSC. Los resultados teóricos han demostrado que los niveles de energía LUMO y HOMO de estos tintes pueden garantizar un efecto positivo en el proceso de inyección de electrones y regeneración de tinte. La tendencia de las brechas HOMO-LUMO calculadas se compara muy bien con los datos espectrales. Parámetros clave en estrecha conexión con la densidad de corriente de cortocircuito (Jsc), incluida la eficiencia de cosecha ligera (LHE), la fuerza motriz de inyección (∆Ginject) y la reorganización total energía (λtotal), fueron discutidos. Los resultados calculados de estos tintes revelan que el colorante D2, con indolina como grupo de donantes de electrones, se puede utilizar como un potencial sensibilizador para las células solares nanocristalinas de TiO2 debido a sus mejores propiedades electrónicas y ópticas y buenos parámetros fotovoltaicos.

Introducción

El crecimiento constante de la demanda energética mundial, junto con las preocupaciones ambientales y económicas, ha llevado a una intensa investigación en el campo de los recursos de energía renovable, entre los que la energía solar se considera ampliamente prometedora. En este contexto, las células solares sensibilizadas con colorante (DSSC) ciertamente aparecen como una de los dispositivos más importantes para convertir la energía solar en electricidad. Las DSSC han atraído una atención significativa en el ámbito científico investigativo y en aplicaciones prácticas debido a sus altas eficiencias y bajos costos, desde el primer informe de O'Regan y Grätzel en 1991 [1-3] Hasta ahora, los DSSC basados ​​en tintes de rutenio y porfirina han demostrado una conversión de energía solar a energía eléctrica muy impresionante y eficiente. El PCE de los DSSC basados ​​en Zn-porfirina es de hasta 12% en la condición AM 1.5G usando cobalto (II / III) como electrolito redox [4]. Aunque los tintes de rutenio y porfirina tienen altas eficiencias, la aplicación a gran escala de ellos es limitada debido a la práctica. Por ejemplo, la dificultad de síntesis y purificación de tintes de rutenio y porfirina, y especialmente la disponibilidad limitada y cuestiones ambientales del rutenio de metal noble. Afortunadamente, los tintes orgánicos sin metal han sido intensamente investigados como alternativas debido a su alto coeficiente de extinción molecular, preparaciones simples, bajos costos, diversas estructuras, recursos ilimitados y amigables con el medio ambiente [5,6]. En el presente, muchos esfuerzos se han dedicado al desarrollo de tintes orgánicos libres de metal. Squaraine [7,8], cumarina [9,10], indolina [11], fenotiazina [12-15], trifenilamina [16-20], fluoreno [21,22], tienopirazina [23], carbazol [24-26] y tetrahidroquinolina [27] a base de colorantes orgánicos se han desarrollado y exhiben satisfactorio rendimiento (hasta 10.3% de PCE).

Un DSSC típico basado en tintes orgánicos se construye con una amplia Semiconductor de banda prohibida (típicamente TiO2) sensibilizado con tintes, capaces de capturar la luz en la región visible del espectro, electrolito que contiene yoduro / triyoduro (II3) pareja redox, y una contra electrodo de platino [28-32]. En estas células, los sensibilizadores desempeñar un papel importante de captura de energía solar y generar cargas eléctricas. Los tintes orgánicos más ampliamente estudiados por lo general adoptar el motivo estructural donador-π espaciador-aceptor (D-π-A) para mejorar la eficiencia de la foto / UV / visible (UV / Vis) transferencia de carga intramolecular (ICT) [33]. En esta estructura, las TIC de D a A en la fotoexcitación inyectarán el fotoelectrón en la banda de conducción del semiconductor a través del grupo aceptor de electrones en la unidad de anclaje. Comúnmente, para obtener un mejor rendimiento de los DSSC, los siguientes cuatro se necesitan factores: buena conjugación entre el donante y el aceptor a través de π-spacer; una fuerte banda de absorción que podría cubrir casi toda la región de luz visible e infrarroja cercana; apropiado potencial redox de colorante en el estado fundamental y potencial de oxidación de colorante en estado excitado para facilitar la regeneración del colorante y el electrón inyección, respectivamente; fuerte acoplamiento electrónico entre tinte y banda de conducción de TiO2 para acelerar la transferencia de carga desde colorante a TiO2 [34]. Como sabemos, el tiazolotiazol es rígido, coplanar y elección electrónica heterociclo fusionado debido a la extracción de electrones nitrógeno de la imina (C=N) y dando lugar a un muy extendido sistema π-electrón [35]. Recientemente, los marcos de tiazolotiazol han despertado interés como materiales semiconductores con alto portador de movilidad, en electrónica orgánica, en energía fotovoltaica, como sensores fluorescente, como componentes de células solares de polímero de alto rendimiento con la eficiencia de conversión de potencia (PCE) de hasta 5-6% [36-39]. A pesar de la gran cantidad de trabajo descrito anteriormente, lo mejor de nuestro conocimiento, el empleo de tiazolotiazol como fotosensibilizadores para DSSCs sigue siendo raro [40-43]. En nuestro trabajo reciente, tenemos informó un estudio teórico sobre una serie de moléculas con tiazolotiazol como p-spacer, actúan algunos anillos heteroaromáticos diferentes como grupos donantes, y vinculado al ácido cianoacrílico que actúa como aceptor / anclaje grupo que forma la arquitectura D-π-A, como componentes fotoactivos en DSSC [44]. Teniendo en cuenta muchas ventajas de tiazolotiazol como π-spacer juntos el más comúnmente utilizado aceptor de ácido cianoacrílico y la excelente donación de electrones capacidad de cumarina, indolina, carbazol y trifenilamina.

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Decidió en este trabajo diseñar nuevos cuatro orgánicos D1, D2, D3 y Tintes basados ​​en D4 tiazolotiazol (Fig. 1). En la contribución actual, la teoría de densidad funcional (DFT) y su extensión, DFT dependiente del tiempo (TD-DFT), se ha demostrado que ser los métodos prometedores en la obtención de resultados precisos de sensibilizadores de tinte en el sistema DSSCs, no incurrir en el alto costo computacional y ser razonable para experimentar los resultados [45-49]. En el presente trabajo, este método de cálculo teórico se utiliza para analizar el papel de diferentes grupos de donantes de electrones en las geometrías, estructuras electrónicas y propiedades de espectros de absorción simulada. Además, la fuerza impulsora de inyección (∆Ginject.), Eficiencia de recolección de luz (LHE) y la energía de reorganización total (λtotal) han sido investigado para ver los efectos del donante sensibilizador en el cortocircuito densidad de corriente (Jsc) con el objetivo de encontrar posibles sensibilizadores para uso en DSSC. Esperamos que nuestro trabajo pueda facilitar futuros estudios experimentales para diseñar y pantalla rápida nueva eficiencia tintes orgánicos.

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