علمي ـ پژوهشيدوره

بررسي اثر گروههاي الکترون گيرنده مواد رنگزا بر عملکرد سلول خورشيدي رنگدانهاي

مژگان حسيننژاد●*+، کمالالدين قرنجيگ●
گروه پژوهشي مواد رنگزاي آلي، مؤسسه پژوهشي علوم و فناوري رنگ و پوشش، تهران

چكيده: سه ماده رنگزاي آلي جديد داراي 9-بوتيل فنوتيازين به عنوان گروه الکترون دهنده و سيانو آکريليک اسيد ،تيواکسوتيازوليدين و تترازول به عنوان گروه الکترون گيرنده توسط فرايندهاي استاندارد از فنوتيازين به عنوان ماده اوليه تهيه شد. مواد رنگزاي سنتز شده به روش کروماتوگرافي خالصشده و توسط روشهاي آناليز دستگاهي مانند نقطه ذوب ،FT-IR ،1HNMR و آناليز عنصري شناسايي شدند .ويژگيهاي اسپکتروسکوپي مواد رنگزاي سنتز شده در محلول و در حالت جذب شده بر روي لايه دي اکسيد تيتانيم مورد مطالعه قرار گرفت. طول موج بيشينه جذب مواد رنگزاي سنتز شده به ترتيب در محلول 514، 534 و 554 نانومتر و بر روي لايه تيتانيم دياکسيد 554، 544 و 571 نانومتر است. مواد رنگزاي خالص در ساختار سل خورشيدي نانو ساختار اعمال شد و ويژگيهاي فوتوولتاييک آنها مورد بررسي قرار گرفت. بازده تبديل مواد رنگزاي آلي به ترتيب 14/3%، 49/4% و 79/4% است.
واژه هاي كليدي: سلول خورشيدي حساس شده به مواد رنگزا؛ بازده تبديل؛ مواد فوتونيکي؛ گروه الکترون .گيرندهKEYWORDS: Dye-sensitized solar cell; Conversion efficiency; Photovoltaic materials; Anchoring

مقدمه
سلولهاي خورشيدي حساس شده به مواد رنگزا) DSSCs( به دليل راندمان تبديل مناسب و قيمت پايين نسبت به سلهاي خورشيدي سيليکوني بسيار مورد توجه پژوهشگران قرار گرفتهاند [1].
ترکيبها بسيار بالا است [3]. براي حل اين مشکل خورشيدي را دارند گروه الکترون گيرنده است. اين بخش سبب جذب ساختارهاي آلي بدون فلز که داراي بازده تبديل و پايداري مواد رنگزا بر روي لايه اکسيد فلزي شده و سبب انتقال الکترون

+E-mail: [email protected] عهده دار مکاتبات *
● آدرس ديگر: تهران، مؤسسه پژوهشي علوم و فناوري رنگ و پوشش، قطب علمي رنگ، صندوق پستي 445 ـ 74414
702
در سال 1991 ميلادي اولين سلول خورشيدي حساس شده به مواد رنگزا با استفاده از کمپلکس آلي ـ معدني روتنيوم، توسط گراتزل و همکاران تهيه شد [2]. سلولهاي خورشيدي تهيه شده از کمپلکسهاي آلي ـ معدني بيشتر داراي بازده کوانتومي بالايي هستند) 11% تا 11%( اما در برابر تهيه و خالصسازي آنها دشوار بوده و به دليل حضور عناصر کميابي مانند روتنيوم قيمت اين
group.
نزديک به کمپلکسهاي آلي ـ معدني هستند معرفي شدند [1].
مواد رنگزاي آلي که در سلولهاي خورشيدي استفاده ميشوند بهصورت D-π-A نشان داده ميشوند که در آن D يک گروه الکترون دهنده ،π يک سامانه مزدوج )پل مزدوج( و A يک گروه الکترون گيرنده است. ساختارهاي بسياري مانند کومارينها ،تيوفنها، ايندولينها و … به عنوان مواد رنگزا در سلولهاي خورشيدي به کار ميروند [6 ، 5]. يکي از ساختارهاي به نسبت نوين که بازده و پايداري مناسبي دارد، ايندولينها ميباشد [7].
بخش مهم مواد رنگزاي آلي که قابليت استفاده در سلولهاي تهييج يافته ميشود [9 ، 8]. از سال 2111 ميلادي، بيشتر پژوهشها بر روي اثر قرارگيري استخلافهاي متنوع بر روي نيتروژن حلقه متمرکز شده است که نتيجهها نشان داد حضور استخلافهاي آروماتيک به دليل افزايش سامانه مزدوج باعث بهبود بازده تبديل ميشود] 8[. در سال 2118 ميلادي از ماده اوليه هگزاهيدروسيکلو پنتاايندول در ساخت مواد رنگزاي آلي استفاده شد که نتيجهها نشان داد خلوص فراورده و بازده افزايش يافته و با افزايش استخلافهاي آروماتيک راندمان تبديل نيز بهبود مييابد [11]. در سال 2111 ميلادي از فنوتيازين و ايمينوديبنزيل به عنوان ماده شروع کننده استفاده شد که کاربرد فنوتيازين سبب بهبود راندمان تبديل و ثبات نوري شد [11].
با توجه به اينکه مواد رنگزا يکي از مهمترين اجزا در سلولهاي خورشيدي حساس به مواد رنگزا بوده و نقش توليد الکترون را بر عهده دارند، مطالعههاي زيادي بر روي اين بخش انجام ميشود.
در پژوهش حاضر دو ماده رنگزاي آلي عاري از فلز با استفاده از اجزاي الکترونگيرنده گوناگون با قابليت استفاده در سل خورشيدي معرفي و ويژگيهاي نوري آن بررسي شده است. در اين مواد رنگزا 9ـبوتيل فنوتيازين به عنوان بخش الکتروندهنده و سيانو آکريليک اسيد، تيواکسوتيازوليدين و تترازول به عنوان واحد الکترون گيرنده استفاده ميشود )شکل 1(. پس از تهيه و خالصسازي، ويژگيهاي جذبي و نشري هر يک از مواد رنگزاي سنتز شده در حلال و در حالت لايهنشاني شده بر روي تيتانيم دياکسيد بررسي ميشود. سپس پتانسيل اکسايش هر يک از مواد رنگزا با استفاده از فناوري ولتامتري چرخهاي تعيين شده و صحت ساختار موردنظر براي کاربرد در سلول خورشيدي مورد مطالعه قرار ميگيرد. سرانجام مواد رنگزاي خالصسازي شده در ساختار سلول خورشيدي نانوساختار اعمال شده و ويژگيهاي فوتوولتاييک و راندمان تبديل هر يک از آنها مشخص ميشود.

بخش تجربي
مواد و تجهيزهاي مورد استفاده
مواد اوليه شيميايي مصرفي در اين پژوهش همه از نوع آزمايشگاهي، از شرکت مرک تهيه شد. ماده واسطه 9ـ بوتيل ـ 3 ـ فرميل فنوتيازين
با روش گزارش شده در مقاله پيشين سنتز شد [12].
ساخت کشور FT-IR: Perkin Elmer مواد رنگزا با دستگاههاي و دستگاه تجزيه 1HNMR Brucher Evance 500 MHz، آلمان . شناسايي شدند C.H.N O-Rapid Analysis Hereuse عنصري
نقطه ذوب هر يک از مواد رنگزا به وسيله دستگاه DSC: Perkin Elmer توليد شده در کشور آلمان اندازهگيري شد. براي بررسي ويژگيهاي جذبي و نشري مواد رنگزا به ترتيب از دستگاه اسپکتروفوتومتري در ناحيه مرئي ـ فرابنفش Double Beam CECIL 9200 و دستگاه فلورومترOcean Optics Usb2000flg استفاده شد. منحني مشخصه چگالي جريان ـ ولتاژ هر سلول در روشنايي، با استفاده از يک شبيهساز خورشيدي با شدت 2W/m 1111 و دستگاه مشخصهياب جريان ـ ولتاژ (Cassy-e 524000) اندازهگيري شد.

سنتز مواد رنگزا
سنتز ماده رنگزاي 1 )Dye 1(
9 ميليمول 9ـ بوتيل ـ 3 ـ فرميل فنوتيازين و 16 ميليمول
)36/1 گرم( سيانو استيک اسيد به 11 ميليليتر استونيتريل افزوده شد.
به مخلوط واکنش 8 ميليمول) 68/1 گرم( پيپيريدين افزوده شد.
مخلوط واکنش به مدت 11 ساعت بازچرخاني شد. پس از پايان واکنش مخلوط بهدست آمده تا دماي اتاق سرد شده و رسوب بهدست آمده صاف شد. فراوردهي بهدست آمده توسط کروماتوگرافي صفحهاي با حلال اتيل استات ـ هگزان به نسبت 1101 خالصسازي شد. راندمان واکنش% 85 بود.

سنتز ماده رنگزاي 7 )Dye 2(
8 ميليمول 9ـ بوتيل ـ 3 ـ فرميل فنوتيازين و 9 ميليمول رودانين ـ 3 ـ استيک اسيد به 11 ميليليتر اسيد استيک افزوده شد .
به مخلوط واکنش 111 ميليگرم آمونيوم استات افزوده شد.
مخلوط واکنش به مدت 3 ساعت بازچرخاني شد. پس از پايان واکنش مخلوط بهدست آمده تا دماي اتاق سرد شده و رسوب بهدست آمده صاف شد. فراوردهي بهدست آمده توسط
کروماتوگرافي صفحهاي با حلال اتيل استات ـ اتانول به نسبت 801 خالصسازي شد. راندمان واکنش% 83 بود.

سنتز ماده رنگزاي 3 )Dye 3(
6 ميليمول 9ـ بوتيل ـ 3 ـ فرميل فنوتيازين و 13 ميليمول
2-)2H-تترازول-5-ايل( استونيتريل به 11 ميليليتر اتانول افزوده شد. به مخلوط واکنش 6 ميليمول پيپيريدين افزوده شد.
مخلوط واکنش به مدت 21 ساعت بازچرخاني شد. پس از پايان واکنش مخلوط بهدست آمده تا دماي اتاق سرد شده و رسوب بهدست آمده صاف شد. فراوردهي بهدست آمده توسط کروماتوگرافي صفحهاي
702 پژوهش
-9915-1928

S
N
C
4
H
9
R
C
N
C
O
2
H
N
S
S
O
C
O
2
H
N
H
N
N
N
Dye 1: R=
Dye 2: R=
Dye 3: R=

S

N

C

4

H

9

R

C

N

C

O

2



قیمت: تومان

دسته بندی : شیمی و مهندسی شیمی

دیدگاهتان را بنویسید