Theses supervised by Prof. Dr. İlkay Şişman
10 theses · Sakarya University
Kinolin esaslı D-π-A-π-A bileşiklerinin boya duyarlı güneş hücrelerinde uygulamaları
Nüfus ve ekonomik gelişmelere paralel olarak artan enerji talebi ağırlıklı olarak fosil yakıtlardan sağlanmakta ve ciddi çevre sorunlarına neden olmaktadır. Bu sorunları ortadan kaldırmak için yenilenebilir, sürdürülebilir ve düşük maliyetli enerji kaynaklarının kullanımı bir zorunluluk haline gelmiştir. Büyük ve temiz bir enerji kaynağı olan güneş ışığı kullanılarak, doğal yenilenebilir enerji, çevreye zarar vermeden kontrol edilebilir ve faydalı enerjiye dönüştürülebilir. Günümüzde güneş ışığı elektrik enerjisine dönüştürmede kullanılan fotovoltaik paneller genellikle silisyum esaslıdır. % 25 civarında enerji dönüşüm verimliliğine sahip olan bu panellerin yapım sürecinin maliyetli olması ve toksik kimyasallar içermesi ticari olarak yaygınlaşmasını engellemektedir. Bu sebeple, bilim adamları sürekli olarak yeni arayışlar içerisine girmişlerdir. 1991'de Grätzel ve O'Regan tarafından keşfedildiğinden beri, boyaya duyarlı güneş hücreleri (BDGH'ler), güneş ışığını elektrik enerjisine dönüştürmek için cazip ve ucuz bir cihaz haline geldi. Boya duyarlı güneş hücreleri başlıca beş ana bileşenden oluşmaktadır. Bunlar, iletken şeffaf bir cam substrat, yarı iletken olarak kullanılan metal oksit, duyarlaştırıcı olarak kullanılan boya, karşıt elektrot olarak kullanılan platinlenmiş iletken cam ve redoks çiftinden oluşan elektrolittir. Boya duyarlı güneş hücrelerinin en kritik bileşenlerinden biri, fotovoltaik performansı önemli ölçüde etkileyen, duyarlaştırıcı olarak kullanılan boyadır. Kullanılacak boyanın BDGH için uygunluğu optik ve elektrokimyasal karakterizasyonları yapılarak tespit edilebilir. Bir boyanın BDGH'lerde etkili bir şekilde çalışabilmesi için görünür bölgede absorpsiyon yapması oldukça önemlidir. Bu sebeple kullanılacak boya molekülünün yaklaşık 380 nm'den daha yüksek bölgede absorpsiyon vermesi gerekir. Spektral alanda taranan bölge genişledikçe, boya daha fazla ışık hasatı yapacaktır. Bununla birlikte, ışıkla uyarılan elektronun yarıiletkene geçmesi yani elektron enjeksiyonunun olabilmesi için boyaya ait LUMO enerji seviyesinin yarı iletkenin iletim bandından (TiO2 için -0,5 eV) daha negatif olması gerekmektedir. Ayrıca, boyanın kaybettiği elektronu tekrar kazanabilmesi yani boya rejenerasyonu için boyanın HOMO seviyesinin elektrolitin Nernst potansiyelinden (iyodit/triiyodit için 0,4 eV) daha pozitif olması gereklidir. Bu özellikler UV-Vis spektrumu ve dönüşümlü voltammogram teknikleriyle belirlenerek boyanın uygunluğuna karar vermek daha doğru olacaktır. BDGH'lerde duyarlaştırıcı olarak; doğal boyalar, metal kompleks boyalar (rutenyum esaslı ve porfirin gibi) ve metal içermeyen organik boyalar kullanılmaktadır. Bir tür duyarlaştırıcı olan metal içermeyen organik boyalar, esneklikleri, yüksek molar katsayıları, düşük toksisiteleri ve nispeten kolay sentezlenmeleri nedeniyle büyük ilgi görmektedir. Genel olarak, bu boyalar molekül içi yük transferini (ICT) gerçekleştirmek için donör-π-alıcı (D–π–A) yapısına sahiptir. Bu boyaların tasarımında genellikle donör olarak trifenilamin, karbazol veya difenilamin gibi elektronca zengin gruplar tercih edilir. Yarı iletken ile güçlü ester bağları oluşturabilen karboksilik asit veya siyanoakrilik asit gibi elektron çeken gruplar, akseptör/bağlayıcı gruplar olarak kullanılır. Absorpsiyon özelliklerini önemli ölçüde etkileyen konjuge π köprüsü, boya molekülünün ana bileşenidir. π-köprüsü, donörden alıcıya elektron göçünü kolaylaştırarak fotovoltaik performansı iyileştirmede hayati bir rol oynar. Üstün termal ve oksidatif stabiliteye sahip kaynaşık heteroaromatik kinolin türevleri, ilginç optoelektronik özelliklerinden dolayı organik ışık yayan diyotlarda (OLED'ler) kullanımlarının yanı sıra BDGH'lerde ışığa duyarlaştırıcılar olarak umut vericidir. Son yıllarda benzotiadiazol, benzotriazol, kinoksalin, ftalimid ve diketopirolopirol gibi düşük bant aralığına sahip elektronca eksik yardımcı akseptörler boyaların π- köprüsü ve elektron verici grupları arasına sokularak D-A-π-A yapılı boyalar elde edilmiştir. Bu grupların eklenmesi, konjugasyonu etkili bir şekilde arttırmaya, absorpsiyon bölgesini genişletmeye ve duyarlaştırıcının spektral tepkisini ve ışık-ısı stabilitesini iyileştirmeye yardımcı olur. Ayrıca, D–A–π–A yapısındaki boyalara fenil, benzen, tiyofen gibi ekstra π grubu eklenerek elde edilen D–π–A–π–A yapısındaki boyalar ile ilgili çalışmalarda literatürde mevcuttur. Bu yapının, ışıkla uyarılan süreçte daha iyi yük ayrımı ve daha akıcı ICT için gerekli olan düzlemselliği etkili bir şekilde arttırdığı kanıtlanmıştır. Ayrıca, daha iyi bir düzlemsel yapı, ışık hasadı kapasitesini geliştirmek, ters gevşemeden kaynaklanan enerji kaybını önlemek ve fotovoltaik performansı iyileştirmek için bir girişimdir. Bununla birlikte, tamamen organik boyalar, uzun süreli π-konjugasyonu nedeniyle güçlü moleküller arası etkileşim ile π-π istifi oluşturarak agregasyona neden olma eğilimindedir. Agregasyon, absorpsiyon spektrumunun genişlemesi nedeniyle ışık hasadı için avantajlı olsa da, π-istifli agregalar genellikle verimsiz elektron enjeksiyonuyla sonuçlanarak düşük güç dönüştürme verimliliğine (PCE) yol açar. Bu durumdan kaçınmak için boya molekülünün donör kısımlarını dallı alkoksi gruplarıyla modifiye etmek mükemmel bir strateji olsa da, bazen hacimli sübstitüentler boya agregasyonunu bastırmada tamamen başarılı olmayabilir. Agregasyonu önlemek için başka bir pratik yaklaşım, bir yardımcı adsorban kullanmaktır. Yardımcı adsorbanlar, yarı iletken yüzeyindeki boya toplanmasını baskılayarak, elektron enjeksiyonunu iyileştirmenin yanı sıra yük rekombinasyonunu azaltarak hücre performansını iyileştirir. Ayrıca boyalar ve yardımcı adsorbanların kombinasyonu, yarı iletken yüzeydeki boşlukları bloke eder ve tek başına boya tabakasına göre daha kompakt bir tabaka oluşur. Yardımcı adsorbanlar olarak kullanılan bazı fosfonik asitler, organik bazlar, karboksilik asitler ve asetilaseton tipi bileşiklerin, BDGH'lerin fotovoltaik performansını iyileştirmede etkili olduğu kanıtlanmıştır. Bir karboksilik asit bağlayıcı grubu içeren steroid yapısında doğal olarak doymuş bir polisiklik molekül olan kenodeoksikolik asit (CDCA), tüm yardımcı adsorbanlar arasında en çok yönlü ve popüler olanıdır. CDCA, ağırlıklı olarak hayvan karaciğerinden ekstraksiyon yoluyla üretilen, kimyasal olarak karmaşık bir yapıya sahip maliyetli bir bileşiktir. Bu nedenle araştırmacılar, düşük maliyet ve yüksek verimlilik elde etmek için alternatif yeni yardımcı adsorban moleküllerine odaklanmışlardır. Dietilentriamin (DETA), birincil ve ikincil amin gruplarının bir kombinasyonu ile benzersiz polar özelliklere sahip renksiz higroskopik zayıf bir baz, suda ve polar organik çözücülerde çözünen çok düşük maliyetli bir poliamindir. Bu bilgiler ışığında, donör olarak 2-etilheksiloksi sübstitüenti içeren trifenilamin, π-konjuge köprüsü olarak kinolin, yardımcı akseptörler olarak benzotiyadiazol (BIM27) ve N-propilbenzotriazol (BIM28) ve akseptör grubu olarak siyanoakrilik asit içeren iki yeni metal içermeyen boya ilk kez sentezlenerek BDGH'lerde kullanılmıştır. Sentezlenen boyalar, FT-IR, 1H NMR, 13C NMR ve HRMS teknikleriyle yapısal olarak karakterize edilmiştir. Daha sonra boyalardan, BDGH'ler üretilerek fotovoltaik performansları belirlenmiştir. Bunun için, her bir BDGH'nin akım-voltaj grafikleri, IPCE ve EIS spektrumları alınmıştır. Yapılan fotovoltaik araştırmalar sonucunda, BIM 27'nin agregasyon oluşturma eğilimde olmadığı, aksine BIM28'in ise istenmeyen agregaları oluşturduğu tespit edilmiştir. Bu nedenle, BIM28'in boya agregasyonunu engellemek için yardımcı adsorbanlar olarak kenodeoksikolik asit (CDCA) ve dietilentriamin (DETA) molekülleri kullanıldı. AM 1.5G altında DETA'lı BDGH, %3,89'luk en yüksek güç dönüştürme verimliliği (PCE) sergiledi; bu, yardımcı adsorban olmadan üretilen hücrenin %3,11'ine kıyasla %25'lik kayda değer bir gelişme göstererek ve CDCA esaslı hücrenin dönüşüm verimliliğini (%3,57) aştı. Daha küçük bir molekül olan DETA, büyük olan CDCA'ya kıyasla hacimli boya molekülleri arasına etkili bir şekilde girebilir, bu da TiO2 üzerinde daha az rekombinasyon yapabilen daha kompakt bir yapı ile sonuçlanır. Çalışmadan elde edilen sonuçlar, hacimli boyalar ile DETA'nın birlikte adsorpsiyonun daha verimli BDGH'ler oluşturacağını göstermektedir. Çalışma sonucunda, elde edilen D–π–A–π–A yapısındaki kinolin esaslı boyaların BDGH'lerde kullanım için uygun olmalarının kanıtlanmasının yanı sıra, BDGH'lerde yardımcı adsorban olarak DETA bileşiğinin kullanılabileceği tespit edilmiştir. Bu sayede daha ucuz ve bol bulunan bir yardımcı adsorban literatüre kazandırılmıştır. Kullanılan yardımcı adsorbanların genel olarak asidik karakterde olması, bazik bir yardımcı adsorban olan DETA'nın kullanımını daha önemli hale getirmiştir.
Triarilpiridin grupları içeren ftalosiyaninlerin sentezi, fotofiziksel ve elektrokimyasal karakterizasyonu
Günümüzde ftalosiyaninler, taç eterler, kriptandlar, rotaksanlar, kaliksarenler, podandlar, tetrapirol türevleri olan porfirinler, polieterler, porfirazinler, politiyoeterler, poliaminler gibi bileşikler, büyük halkalı yapılara sahip olan makrosiklik bileşikler sınıfında sayılabilir. Bu özellikleri sayesinde geniş kullanım alanlarına sahip olan en az dokuz üye ve üç heteroatom içeren kompleks bileşiklere makrohalkalı bileşikler denir. Makrosiklik yapılar adına gerçekleştirilen çalışmalar porfirinler, korrinler ve ftalosiyanin kompleks yapıları haricinde başlangıçta yaygın olmayıp diğer makrohalkalara göre ftalosiyaninlerin önemsenme sebebi heme, sitokrom veya klorofil gibi doğal olarak meydana gelen makro yapılara benzer yapıda veya pigment ve boyar madde olarak önemli potansiyele sahip oluşlarıdır. Ftalosiyanin molekülleri yapısal olarak porfırinlerle benzer yapıya sahip oldukları halde doğada klorofil A, hemoglobin ve B12 vitamini gibi doğal olarak bulunmazlar. Aralarındaki farklılık ftalosiyanin moleküllerinin içerdikleri metal atomlarının (çinko, bakır, nikel gibi geçiş metallerini) ve bağlı olan yan zincirlerinin farklı olmasından ileri gelmektedir. Makro boyutta olup halka taşıyan koordinasyon bileşiklerinden olan ftalosiyaninler rastlantı sonucu bulunmuş sonrasında araştırmacılar tarafından geliştirilerek özellikle boya ve pigment endüstrisinde, elektrokataliz ve fotodinamik terapide kullanımı zamanla epey yaygınlaşmıştır. 1,3 pozisyonunda aza köprüleriyle birbirine bağlı olan ftalosiyaninler genel olarak ftalonitril ve bunların daha çok türevlerinden (ftalimid, ftalik asit vb.) veya sübstitüye olmuş ürünlerinden metalsiz ve metal tuzları ile yüksek sıcaklıklarda sentezlenmektedir. Ftalosiyaninler içerdikleri metallere göre değişken olan yoğun mavi veya yeşil renkte yan zincirlerine bağlı dört pirol halkası içeren, tetraazaporfirinlere benzeyen, düzlemsel 18-π elektronlu, 8'i karbon, 8'i azot içeren 16 metalli aromatik makro halkalı yapılardır. Düzlemsel ve 18-π elektronlu yapıya sahip olmaları aromatik ve elektronik özelliklerini ve uygulama alanlarını belirler. Ftalosiyanin (Pc) ismi ilk kez metalsiz ve metalli ftalosiyaninler ve bunların çeşitlerinden oluşan 1933 yılında organik bileşikleri tanımlamak için kullanılmıştır. Metal ftalosiyaninlerin en önemli özellikleri yüksek elektron transfer yetisine sahip olmalarıdır. Bu önemli özelliğin altında ftalosiyanin halkası ile ftalosiyanin halkasının konjuge durumdaki π elektronlarından etkilenen merkez atom arasındaki ilişki yatmakta ve sübstitüe grupların türü ve sayısı da elektron transfer özelliğinin temelini oluşturmaktadır. Ftalosiyaninlerin yüksek elektron kabiliyetlerine karşın, metalli ftalosiyanin yapıları yaygın olarak kullanılan organik çözücüler içerisindeki düşük çözünürlükleri nedeni ile elektrokimyasal uygulamalar konusunda kısıtlanmışlardır. Elektronik spektrumlarında yoğun absorpsiyonlar göstermeleri ftalosiyaninlerin olağanüstü optik ve elektriksel davranışlar göstermesini, çevresel faktörlere karşı termal ve kimyasal olarak dayanıklı yapılar olup kuvvetli asit ve kuvvetli bazlara karşı dayanıklılık kazanmasını sağlamaktadır. Molekülün merkezinde yer alan iki hidrojen atomu, ftalosiyaninleri oluşturmak için periyodik tablodaki 70'ten fazla geçiş metali ile yer değiştirebilir. Bu sayede yeni özelliklere sahip metalli ftalosiyanin kompleksleri elde edilebilmektedir. Ftalosiyaninler metalsiz ftalosiyaninler dışında aynı zamanda çeşitli fonksiyonel grup ile substitüe edilebilip farklı yapısal özelliklere sahip bileşikleri elde edilebildğinden, metalli ftalosiyaninler, substaftalosiyaninler, asimetrik ftalosiyaninler gibi türleri olup bu kompakt türevleri sensör gibi değişik uygulama alanları da sunmuştur. Ftalosiyanin bileşiğinin çevresel konumlarına çeşitli sübstitüentlerin bağlanması ile ftalosiyaninlerin geniş veya uzun zincirli molekülün suyla etkileşimini engelleyen hidrofobik türevler olmaları çoğu ftalosiyaninlerin organik çözücülerdeki çözünürlüğünü arttırır. Ftalosiyaninler metanol (MeOH), etanol (EtOH), tetrahidrofuran (THF), dimetilformamid (DMF), dimetilsülfoksit (DMSO), klornaftalin, kinolin içinde çözünür. Ftalosiyaninler, optik özellikleri ve kararlılıkları nedeniyle geniş bir kullanım yelpazesine sahip olan sentetik bileşiklerdir. Hem metalli hem de metalsiz ftalosiyaninler, birçok farklı alanda kullanılmaktadır. Ftalosiyaninler lazer yazıcılarda, boya duyarlı güneş pillerinde (DSSC), kimyasal ve gaz sensörlerinde, katalizör ve elektrokatalizör olarak yakıt pillerinde, sıvı kristal renkli ekran uygulamalarında, fotovoltaik hücre elemanlarında, bilgi teknolojilerinde, fotokopi makinelerinde fotoiletken eleman olarak, elektrokromik görüntü cihazlarında kullanılırlar. Ayrıca sübstitüe ve sübstitüe olmamış ftalosiyaninler, boya ve pigment madde olarak matbaa mürekkeplerinde, plastik ve metal yüzeylerin renklendirilmesinde ticari kullanım alanlarının yanında, kanserin fotodinamik terapisi (PDT) ve diğer tıbbi uygulamalar gibi birçok alanda da kullanım alanları bulunmaktadır. Elektrokimyasal yöntemlerle, ftalosiyaninlerin redoks özellikleri, elektrokimyasal aktiviteleri ve elektron transfer özellikleri gibi özellikleri incelenebilir. Sentezlenen bakır ve çinko ftalosiyanin bileşiklerinin fotofiziksel özellikleri incelenir. Bunlar arasında UV-Vis spektroskopisi, floresans spektroskopisi gibi teknikler, bileşiğin absorpsiyon spektrumunu, floresans verimliliğini, emisyon spektrumunu ve floresans ömrünü belirlemek için kullanılabilir. Agregasyon, moleküllerin bir araya gelerek daha büyük yapılar oluşturması anlamına gelir. Ftalosiyaninler, agregasyon eğilimi gösteren bileşiklerdir. Bu moleküller, intermoleküler etkileşimlerle bir araya gelerek çeşitli agregatlar veya supramoleküler yapılar oluşturabilirler. Agregasyon, ftalosiyaninlerin fotofiziksel ve optik özelliklerini etkileyebilir ve uygulamalarında önemli bir rol oynar. Tez çalışması kapsamında sentezlenen bileşiklerin optik ve elektrokimyasal özellikleri ayrıntılı bir şekilde incelenmiş, simetrik haldeki piridin sübstitüeden Zn (II) ve Cu(II) içeren yeni iki adet ftalosiyanin bileşiği (ZnPc ve CuPc) sentezlenmiştir. THF içerisindeki ZnPc ve CuPc'nin agrega olmadığı tespit edilmiştir. Böylece THF ortamdaki bileşiklerin fotodinamik terapi gibi uygulamalarda rahatlıkla kullanılabilecekleri ortaya çıkarılmış oldu. Her iki bileşiğin DCM ve DMSO gibi çözücülerde H-tipi ya da J-tipi agrega oldukları UV-vis absorpsiyon çalışmalarıyla belirlendi. Buna göre söz konusu agrega ftalosiyaninlerin gıdalarda görülen ve çeşitli hastalıklara yol açan protein agregasyonunu engelleyebileceği belirlenmiş oldu. Uygun metotlarla saflaştırılma süreci sonrasında bileşiklerin yapısal karakterizasyonu FT-IR, 1H-NMR, UV-Vis, MALDI-TOF-MS ve 13C-NMR teknikleriyle gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlarla farklı elektrokimyasal tekniklerde kullanım imkanları belirlenmiştir. Son olarak ZnPc ve CuPc'nin elektrokimyasal özellikleri dönüşümlü voltametri tekniği ile incelendi. Sentezlenen bileşikler güneş hücrelerinde güneş enerjisini elektrik enerjisine dönüştürecek özellikler göstermiştir. Elde edilen sonuçlar, sentezlenen bileşiklerin fotodinamik tedavi, gıda ve fotovoltaik gibi alanlarda rahatlıkla kullanılabileceklerini göstermiştir. Benzerlerine göre sentezi kolay ve ekonomik olan ftalosiyanin bileşiklerinin mevcut ya da potansiyel uygulamalardaki kullanımlarının ortaya konması, genişletilmesi ve ticarileştirilmesi ülkemizin katma değeri yüksek alanlarda bağımsız olabilmesi bakımından büyük önem arz etmektedir.
Kinolin sübstitüe ftalosiyaninlerin sentezi, optik ve elektrokimyasal özelliklerinin incelenmesi
Makrosiklik, dokuz veya daha fazla ve en az üç heteroatom içeren bir bileşik sınıfını ifade eder. Makro döngülerdeki en büyük gelişme, Pedersen'in kendisine Nobel Kimya Ödülü kazandıran eterler üzerine çalışmasıydı. Sitokromlar ve klorofil gibi doğal bileşiklerin kompleksleri, porfirinler gibi makrosiklik kompleksler içerdikleri için ilgi çekicidir. Bu sebeple literatürde porfirinler ve ftalosiyaninler ile ilgili birçok çalışma bulunmaktadır. Mavi pigment olarak ilk kez 1907'de Londra'daki Southern Metropolitan Gas Company'de çalışan Braun ve Tcherniac tarafından ftalimid ve asetik anhidritten siyanobenzamid sentezinde bir yan ürün olarak elde edildi. 1907 yılında yeşil bir yan ürün olarak tesadüfen keşfedilen ftalosiyanin, 1934 yılında yapısının netleşmesiyle mavi-yeşil renklendirici olarak kullanılmaya başlandı. Ftalosiyaninler, endüstride diğer uygulamaların yanı sıra plastikleri, metal yüzeyleri ve tekstil ürünlerini renklendirmek için mürekkep olarak kullanılır. Son yıllarda ftalosiyaninlerin kimyasal özelliklerini inceleyen araştırmacıların sayısı önemli ölçüde artmıştır. Yeni çözünür ve asimetrik ftalosiyaninler, elektrokimyasal ve redoks özellikleri, elektro ve fotokatalitik reaktiviteleri ve polimerik malzemelerin sentezi için yeni yöntemlerin geliştirilmesi nedeniyle ilgi odağı olmaya devam etmektedir. Merkezi metal iyonu ve çevresel ikame ediciler iki büyük değişkendir. Merkeze çok sayıda farklı metal iyonu yerleştirme olasılığı, sonsuz sayıda ve türde sübstitüentle birleştiğinde, elde edilebilecek yeni ve ilginç ürünlerin çeşitliliği için sayılamayacak kadar fazladır. Asimetrik ikameli ftalosiyaninlerin uygulama alanları arasında polimer ve oligomer sentezi, Langmuir-Blodgett (LB) film yapımı ve fotodinamik kanser tedavisinde çinko ve alüminyum türevlerinin kullanımı yer alır. Bu bileşikler sıvı kristal özelliklere sahiptir. Ftalosiyanin (Pc) kelimesi Yunanca nafta (mineral yağı) ve siyanin (koyu mavi) kelimelerinden türetilmiştir. Ftalosiyaninler, yüksek oranda konjuge 18-π elektronları olan 16 üyeli (8 nitrojen ve 8 karbon) makroskobik dönüşüm bileşikleridir. Ftalosiyaninler genellikle tetrabenzotetraazeporfirin veya dört izoindolin biriminin yoğunlaşma ürünleri olarak kabul edilir. Metal içermeyen ftalosiyaninler H2Pc olarak gösterilir, metalli ftalosiyaninler MPc olarak kısaltılır. Birçok orto-disübstitüe benzen türevi, metal içermeyen ftalosiyaninlerin üretimi için ham maddelerdir. Metal içermeyen ftalosiyaninler, ftalonitrillerin solventli veya solventsiz siklotetramerizasyonu ile oluşturulur. Pentanol veya 2-(dimetilamino)etanol gibi çözücüler kullanılır. Ürün verimlerini artırmak için kullanılan susuz amonyak NH3 gibi bazik katalizörler, eriyik fazında veya çözücüde ftalonitrilin siklotetramerizasyonu için etkili reaktiflerdir. Bina 1934 yılında aydınlatıldıktan sonra ftalosiyanin bileşikleri çok ince mavi ve yeşil renkleri ile uzun yıllar pigment olarak kullanılmıştır. Ftalosiyaninler, fotokopi makinelerinde fotoiletken elementler, kanser tedavisinde ve tıp alanındaki diğer uygulamalarda fotodinamik elementler, kükürt içeren gaz atıkların kontrolü için katalizörler, düşük sıcaklıklarda doymuş hidrokarbonların oksidasyonu gibi yeni uygulama alanlarında çeşitli özelliklere sahiptir. 1834 yılında kömür katranından kinolin, 1885 yılında ise kömür katranından izokinolin elde edildi. Sikloamin alkaloidinin pirolizi ile ayrılan madde, kinin bileşiklerine benzediği için kinolin olarak adlandırılır. Aromatik bir poli heterosiklik yapı oluşturmak için bir benzen halkası bir piridin halkasıyla kaynaştırabilir. En önemli örnekleri, naftalene benzeyen kinolin ve izokinolindir. Kinolin, kaynama noktası 239°C olan heteroaromatik bir bileşiktir, Keskin kokulu, renksiz, higroskopik sıvı bir maddedir. İzokinolin ise, erime noktası 240 °C olan heteroaromatik katı bir bileşiktir. Kinolin esas olarak farklı özel kimyasallar için hammadde olarak kullanılır. En önemli kullanımı, çok işlevli bir kenetleme maddesi ve pestisit öncüsü olan 8-hidrosiklokinolin için bir başlangıç malzemesi olarak kullanılmasıdır. Kinolinin 2- ve 4- metil türevleri de siyanin boyaları için ham maddelerdir. Kinolin sülfonamidler tüberküloz, kanser ve sıtmayı tedavi etmek için kullanılır. Çeşitli kumarin türevlerinin kemoterapötik ve antialerjik etkileri vardır. Kinolin esas olarak diğer ürünlerin üretiminde bir ara madde olarak kullanılır. Kinolinler ayrıca metalürjik işlemlerde, boya üretiminde, katalizörlerde ve korozyon önleyicilerde kullanılır. Ftalosiyaninler; yapılarına, içinde çözündükleri solventlerin doğasına ve diğer etkilere bağlı olarak oligomer veya dimer karışımı olarak bulunabilirler. İki veya daha çok ftalosiyanin halkası, agregasyon adı verilen moleküller arası çekimle bir araya getirilir. Ftalosiyanin agregasyonunu etkileyen faktörler şunlardır: Solvent etkisi, konsantrasyon etkisi, faz durumu (katı, sıvı, gaz hali), merkezi iyon atom ağırlığının artması, sıcaklık, iki dişli ligand ve merkezi iyonun eksenel pozisyonunun kombinasyonudur. Sentezlenen bileşiklerin erime noktaları, bir Schorpp MPM-H1 cihazı kullanılarak belirlendi. 1H NMR ve 13C NMR analizleri, VARIAN Infinity Plus model 300 MHz NMR cihazı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. FT-IR spektrumları Perkin Elmer Spectrum Two cihazı ile optik UV ölçümleri Shimadzu UV 2600 cihazı ile kaydedildi. LC-MS analizi, bir Shimadzu LCMS 9030 cihazı ile ve MALDI-TOF analizi bir Shimadzu AXIMA Performance cihazı ile gerçekleştirilmiştir. Alternatif voltamogram ölçümleri, bir potansiyostat/galvanostat (PARSTAT 2273, Princeton Applied Research) kullanılarak yapıldı. Bilindiği üzere yüksek molar absorptivite katsayılarına sahip olan ve görünür bölge ile yakın infrared bölge arasında absorpsiyon gösteren ftalosiyaninler, fotodinamik terapi, fotovoltaikler, floresans sensörler, boyar maddeler ve foto-elektronik cihazlar gibi uygulamalar için ideal bileşiklerdir. Ancak bu uygulamalarda kullanılabilmeleri için çözelti ya da film fazında agrega (kümeleşme) olmamaları gerekmektedir. Buradan hareketle söz konusu tez çalışmasında simetrik kinolin sübstitüe çinko ve mangan içeren iki yeni ftalosiyanin bileşiği (ZnPc ve MnPc) sentezlenmiştir. Sentezlenen bileşiklerin elektrokimyasal özellikleri dönüşümlü voltametri tekniğiyle incelendi. Böylece güneş enerjisini elektrik enerjisine çeviren fotovoltaik çalışmalara uygun olup olmadıkları belirlendi. Yapılan analiz sonucunda her iki bileşiğin de LUMO'sunun TiO2'nin iletkenlik bandından daha negatif, HOMO'sunun ise I-/I3- redoks elektrolitinin Nernst potansiyelinden (0,4 V vs. NHE) daha pozitif olduğu tespit edilmiştir. Bu sonuçlar, her iki bileşiğin güneş hücresinde verimli bir şekilde elektron enjeksiyonu ve rejenerasyonu yapabileceği anlamına gelmektedir. Ftalosiyanin gibi sentetik boyalar, ticari fotovoltaik hücrelerde kullanılan poli ya da tek kristal silisyuma göre kolay sentez (ya da üretim) ve düşük maliyet gibi noktalarda öne çıkmaktadır.
Akridin esaslı boyaların ortak duyarlaştırıldığı güneş hücrelerinin fotovoltaik özelliklerinin incelenmesi
Enerji; ekonomik kalkınma, ilerleme ve modernleşme için itici güçtür. Enerji talebi ve kullanımı küresel olarak artmakta olup, araştırmacılar gelecekteki enerji ihtiyacını karşılama konusunda son derece büyük bir çaba sarfetmektedir. Dünyadaki enerji tüketiminin %80'i doğal gaz, fosil yakıtlar ve kömürden elde edilmektedir. Ancak doğal kaynakların tükenmesine yol açmanın yanı sıra aynı zamanda CO2 emisyonunun ve küresel ısınmanın başlıca nedeni olması, yenilenebilir olmama, ekolojik kirlilik gibi önemli sınırlamalar sebebiyle fosil yakıttan doğrudan enerji elde etmek en uygun ve sürdürülebilir yol değildir ve bu sebeple fosil yakıtların yenilenebilir enerji kaynaklarıyla değiştirilmesi gerekmektedir. Yenilenebilir enerji teknolojileri, bu kaynakları kullanarak ve dönüştürerek güç, mekanik enerji veya ısı enerjisi üretir ve bunları elektromotor kuvvetine veya elektriğe dönüştürür. Yenilenebilir enerjinin kullanımı, zararlı hava kirleticilerinin salınımının azaltılması ve sera gazlarının emisyonunun azaltılması gibi çevreye sürdürülebilirlik sağlayan çeşitli avantajlar sunar. Çevre dostu olması, kolay kullanılabilirliği, tükenmemesi, yenilenebilir olması, CO2 emisyonu üretmemesi, doğal bir kaynak olması, çeşitli uygulamalara uygunluğu ve atık ürünler oluşturmaması gibi avantajlarından dolayı güneş enerjisi diğer yenilenebilir enerjilerden üstündür. Bu nedenle, fotovoltaik (FV) hücreler doğrudan güneş ışığını elektriğe dönüştürmek üzere tasarlanmıştır. Güneşten dünyaya enerji akışı yılda 3 × 1024 joule, yani şu anda insanlığın tükettiğinden yaklaşık on bin kat daha fazladır. Bu, dünya yüzeyinin sadece %0,1'inin bile %10 verimliliğe sahip fotovoltaik hücrelerle kaplanmış güneş pilleriyle donatılmasının mevcut ihtiyaçlarımızı karşılamak için yeterli olacağı anlamına gelir. Üçüncü nesil güneş hücreleri; organik güneş hücreleri (OGH'ler), boya duyarlı güneş hücreleri (BDGH'ler) ve perovskit güneş hücreleri (PGH'ler), diğer nesil güneş hücrelerinden daha iyi stabiliteye sahiptir ve %20'nin üzerinde verimlilik sağladıkları bildirilmiştir. Üçüncü nesil FV teknolojileri arasında, 1991'de Grätzel ve O'Regan tarafından bildirildikleri günden bu yana Boya Duyarlı Güneş Hücreleri (BDGH'ler), çevre dostu olmaları, iyi stabiliteleri, basit üretimleri, düşük maliyete sahip olmaları ve hem açık havada hem de kapalı mekân aydınlatma koşullarında nispeten yüksek verimlilikleri sebebiyle büyük dikkat çekmiştir. BDGH'lerin diğer fotovoltaik teknolojilere kıyasla kapalı mekân aydınlatma koşullarında %28,9 gibi çok yüksek bir verim sağlaması, küçük elektronik cihazların otonom çalışmasına izin verecek yeterli gücü sağlayabilir. BDGH'ler, özellikle kablosuz sensör ağları, spor ve tıbbi cihazlar, kameralar, güvenlik sensörleri ve giyilebilir elektronikler gibi uygulamalarda çok faydalı olmuştur. Boya Duyarlı Güneş Hücreleri (BDGH'ler), çevre dostu olmaları, iyi stabiliteleri, basit üretimleri, düşük maliyete sahip olmaları hem açık hava hem de kapalı mekân aydınlatma koşullarında nispeten yüksek verimlilikleri gibi avantajlarından dolayı araştırmacıların dikkatini çekmiştir. BDGH'lerde kullanılan boyalar metal kompleks, doğal ve organik boyalar olarak üçe ayrılır. Tüm bu boya türlerinden metal içermeyen organik boyalar, yüksek molar absorpsiyon katsayısı, düşük toksisite ve nispeten basit sentezleri nedeniyle diğerlerine göre daha avantajlıdır. Metal içermeyen bu boyalar donör(D)-π-akseptör(A) yapısına sahiptir ve π-köprüsü, elektron donörünü (D) elektron akseptörüne (A) bağladığı için moleküller arası yük transferini (ICT) kolaylaştırır. Alternatif olarak, π ve D bölgeleri arasına elektron çeken gruplar, yani yardımcı akseptörler eklenerek verimli ve stabil bir organik duyarlaştırıcı geliştirilmiştir. Yardımcı akseptörün absorpsiyon dalga boyunu uzattığı ve böylece hücre verimliliğini yüksek oranda artırdığı bildirilmiştir. Dahası, D-A-π-A yapısındaki boyalar, agregasyonu ve elektron rekombinasyonunu önleyerek fotostabiliteyi ve fotovoltaik performansı iyileştirir. Polisiklik akridin türevleri, konjuge düzlemli yapısı olan ve birçok uygulamada kullanışlı olan bileşiklerdir. Pigment ve boyar maddeler olarak kullanılmalarına ek olarak yoğun floresansları, üstün elektron transfer özellikleri, güçlü absorptiviteleri ve yüksek foto, termal ve elektrokimyasal stabilite özellikleri nedeniyle birçok uygulamada kullanılmaktadırlar. Tez çalışması kapsamında akridin π-köprüsü bazlı olarak tasarlanmış ve sentezlenmiş olan donör-yardımcı akseptör-π-akseptör (D–A–π–A) yapısına sahip yeni bir organik boya (BIM37), boya duyarlı güneş hücrelerinde (BDGH) uygulanmıştır. Literatürde daha önce sentezlenen akridin bazlı D–π–A–π–A boyalarının (BIM25 ve BIM26) aksine, BIM37 boyasının donör ve π–köprüsü arasına bir yardımcı akseptör yerleştirilmiştir ve bu değişiklik diğerler boyalara göre absorpsiyon spektrumunda önemli bir kırmızıya kayma sağlamıştır. Bu nedenle, BIM37 bazlı BDGH, literatürdeki akridin bazlı diğer BIM25 (%3,76) veya BIM26 (%4,56) boyalarının verimlerinden daha yüksek olan %5,03'lük bir güç dönüşüm verimliliği (EDV) elde etmiştir. BDGH'lerde yardımcı adsorbanlar, boya agregasyonunu önleyerek elektron enjeksiyonunu artırır ve yük rekombinasyonunu azaltarak hücre verimini artırır. Ayrıca, boyalarla birlikte kullanıldıklarında daha yoğun bir yarı iletken yüzey tabakası oluştururlar. Bunların arasında, özellikle kenodeoksikolik asit (CDCA) yaygın olarak kullanılmaktadır. Ortak-duyarlaştırma yönteminin temel prensibi, pankromatik ışık hasadı ile daha geniş bir absorpsiyon spektrumu elde ederek hücre verimini arttırmaktır. Bu yöntemde, birbirini spektral olarak tamamlayan iki veya daha fazla boyayı yarı iletken yüzeyine adsorbe ederek, BDGH'lerin ışık hasadı yetenekleri arttırılır. Duyarlaştırma için kokteyl yöntemi ve sıralı yöntem olarak iki yaklaşım bulunmaktadır. Kokteyl yöntemi, metal oksit yarı iletken içeren çalışma elektrotlarının boyaları içeren karışım çözeltisine bir defada daldırılmasıyla daha basit bir üretim sürecine sahiptir ve bundan dolayı sıralı yöntemden daha avantajlıdır. Ayrıca, bu yöntem, boya moleküllerinin metal oksit yarı iletken olan TiO2 yüzeyine doğal bir şekilde en uygun adsorpsiyon diziliminde yerleşmesini sağlayarak daha yoğun bir moleküler tabaka oluşturulmasına yardımcı olur. Fotovoltaik performansı daha da iyileştirmek için ortak-duyarlaştırma yöntemlerinden biri olan kokteyl stratejisi uygulanmıştır. Ortak-adsorban olarak kenodeoksikolik asit (CDCA) kullanıldığında, BIM37+BIM26 bazlı ortak-duyarlaştırılmış BDGH %6,30'luk yüksek bir verim göstermiştir. Bu verim, CDCA içeren ve içermeyen tek başına duyarlaştırılmış BDGH'lerden daha yüksektir. Çalışmada sentezlenen BIM37 boyası optik olarak karakterize edilmiş ve 485 nm'de absorpsiyon piki gözlenmiştir. Elektrokimyasal karakterizasyonu gerçekleştirilerek dönüşümlü voltametri (CV) ölçümleri sonucu HOMO enerji seviyesi için değer 0,91 eV ve LUMO enerji seviyesi için değer -1,32 eV olarak hesaplanmıştır. Bu sonuçlar doğrultusunda BIM37 boyasının absorpladığı bölgeden dolayı ışık hasadı için çok uygun olduğu ve hücre içerisinde elektron enjeksiyonu ve boya rejenerasyonu gerçekleştirebileceği gözlenmiştir. TiO2 yani metal oksit yüzeyine adsorbe olan boya miktarı da hücrenin verimini etkiler. Bu sebepten dolayı BIM37 boyası için metanol, asetonitril:tert-bütanol ve tetrahidrofuran (THF) içerisinde çözücü denemesi gerçekleştirilmiştir. Daha sonra uygun çözücü seçilerek boya çözeltilerinde süre denemesi yapılmış ve maksimum verimin elde edilebildiği süre % güç dönüşüm verimliliği (η) bulunarak tespit edilmiştir. Tüm optimizasyon basamakları boyunca verimler güç dönüşüm verimliliği (EDV) ile hesaplanmıştır. Uygun süre belirlendikten sonra anot seçimi için farklı parçacık boyutlarına sahip TiO2 anotları hazırlanmıştır. Bu anot türlerinden biri iki katmanı da 18-20 nm parçacık boyutuna sahip transparan TiO2 (TSP/TSP) pastası ile hazırlanmıştır. Diğer anot türü ise ilk katmanı TSP pastası ile, ikinci katmanı 100 nm'den büyük parçacıklı ve reflektif özellikli TiO2 pastası ile (TSP/RSP) elde edilmiştir. Daha sonra çözücüsü THF olarak belirlenen BIM37 boyasında her iki anot türü de maksimum süresince bekletilmiştir. Sonuçlar doğrultusunda en iyi anot türü TSP/TSP olarak gözlenmiştir. EDV, BIM37 için 10 saat adsorpsiyon süresi ile %5,03 olarak bulunmuştur. Bu verimi arttırabilmek için daha önceden sentezlenmiş olan BIM26 boyası ile ortak-duyarlaştırma stratejilerinden biri olan kokteyl metodu uygulanmıştır. Bunun için farklı molar oranlarda boya karışımları hazırlanmış ve BIM37+BIM26 (1:3) yani hacimli molekül olan BIM37'nin daha az miktarda kullanıldığı oranda en yüksek verim (%5,41) elde edilmiştir. Ortak-duyarlaştırma sonucu elde edilen verimi daha da arttırabilmek için moleküllerin π istiflenmesi olmadan daha düzgün dizilebilmesi amacıyla bir ortak-adsorban olan CDCA kokteyl karışımına eklenerek yine maksimum süre %6,30 verimi elde edilmiştir. Son olarak BIM37 boyasına dayanan hücre ve tüm ortak-duyarlaştırılmış hücrelerin fotovoltaik performansları elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS), % foton akım dönüşüm verimliliği (IPCE) teknikleri kullanılarak ölçülmüştür. Elde edilen sonuçlara göre BDGH'lerin performansını artırmak için moleküler mühendislik, ortak-duyarlaştırma için etkili bir yöntemdir.
Sentetik ve doğal boyaların güneş hücrelerinde kullanımlarının incelenmesi
İnsanın sürekli artan enerji ihtiyacı, onu sürdürülebilir ve çevre dostu enerji kaynaklarına yöneltmiştir. Gelişen teknolojinin getirdiği yeni ihtiyaçlar doğrultusunda, temiz enerji üretimine yönelik bilimsel çalışmalar artmıştır. Yenilenebilir enerji kaynakları, doğada sürekli bulunan ve düzenli olarak elde edilebilen kaynaklardan sağlanmaktadır. Rüzgâr, güneş, biyokütle, jeotermal, dalga enerjisi ve hidroelektrik gibi yenilenebilir enerjiler, fosil yakıtlara göre tükenmez yapıları ve düşük karbon salınımları ile sürdürülebilir alternatifler sunmaktadır. Güneş enerjisinden elektrik üretimi, üniversiteler ve bilim insanları tarafından araştırılan önemli bir alan haline gelmiştir. Son yıllarda çevresel duyarlılığın artması ve kamuoyunun fosil yakıtlardan uzaklaşılması yönündeki baskılarıyla, uluslararası şirketler de yenilenebilir enerjiye yönelmiştir. Büyük şirketlerin güneş enerjisine yaptığı yatırımlar sayesinde teknolojik gelişmeler hızlanmış, üretim kapasitesi artmış ve seri üretimle maliyetler düşmüştür. Böylece, daha önce pahalı olarak görülen güneş enerjisi teknolojileri günümüzde daha erişilebilir ve elektrik üretiminde katkı sağlayan sistemler haline gelmiştir Boya duyarlı güneş hücreleri (BDGH), düşük maliyetleri, kolay üretim süreçleri ve büyük ölçekli uygulamalar için potansiyelleri nedeniyle yenilenebilir enerji üretimi için umut vadeden bir teknoloji olarak ortaya çıkmıştır. Ancak, daha yüksek enerji dönüşüm verimliliğine (EDV) ulaşmak hala bir zorluktur. Bu tez çalışmasında, doğal boyalar olan antosiyanin (Clitoria ternatea L. çiçeklerinden) ve klorofilin (Spinacia oleracea yapraklarından elde edilen) yanı sıra sentetik metal içermeyen boyalar (BIM33 ve C1) kullanarak BDGH'lerin verimlerinin arttırılması amaçlanmıştır. Ayrıca çalışmada, boya agregasyonunu önlemeye yönelik yeni amin bazlı ortak adsorbanlar olan trietilamin (TEA) ve dietilentriamin (DETA) kullanılmıştır. Boya agregasyonu BDGH'lerde yaygın bir sorundur ve verimliliği sınırlayabilir. Bu çalışmada kullanılan doğal boyalar, modern bir yöntem olan ultrasonik destekli ekstraksiyon (UAE) ile çıkarılmıştır. Bu yöntem, boya ekstraksiyon verimliliğini artırmak için kanıtlanmıştır. Antosiyanin (ANT) Clitoria ternatea L. çiçeklerinden ve klorofil (CHL) ise Spinacia oleracea yapraklarından çıkarılmıştır. İki farklı ortak duyarlaştırma tekniği kullanılmıştır. Birincisi, kokteyl ortak duyarlaştırma: Boya karışımları aynı anda TiO2 yüzeyine uygulanmıştır. İkincisi, sıralı ortak duyaraştırma: Boyalar sırayla uygulanmış ve böylece yüzeyde daha kontrollü bir katmanlama sağlanmıştır. Boya agregasyonunu önlemek için TEA ve DETA, yaygın olarak kullanılan CDCA'ya alternatif ortak adsorbanları olarak kullanılmıştır. Bu ortak adsorbanlar, boya agregasyonu ve elektron enjeksiyonu üzerindeki etkilerini belirlemek amacıyla çeşitli konsantrasyonlarda test edilmiştir. Boyaların optik özellikleri, UV-Vis spektroskopisi kullanılarak hem çözelti içinde hem de TiO2 üzerine adsorbe edildiğinde ışık absorpsiyon aralıklarını belirlemek için değerlendirilmiştir. Boyaların elektrokimyasal özellikleri, en yüksek dolu moleküler orbital (HOMO) ve en düşük boş moleküler orbital (LUMO) enerji seviyeleri de dahil olmak üzere, dönüşümlü voltametri (CV) kullanılarak ölçülmüştür. BDGH'lerin fotovoltaik özellikleri akım yoğunluğu-voltaj (J-V) karakteristikleri ile ölçülmüş ve elektron taşınım özellikleri elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) kullanılarak incelenmiştir. Antosiyanin ve klorofilin UV-Vis absorpsiyon spektrumları geniş bir absorpsiyon aralığını göstermiştir. Ortak duyarlaştırma yöntemi uygulandığında, bu absorpsiyon aralığı özellikle görünür spektrumda genişlemiş ve bu da BDGH'lerin fotovoltaik verimliliğini artırmada kritik bir rol oynamıştır. Antosiyanin üzerine TEA ve DETA gibi ortak adsorbanlar eklendiğinde, absorpsiyon tepe noktası kırmızı bölgeye kaymış ve genişlemiştir. Buda ışık hasadı kapasitesi arttırmıştır. Sadece antosiyanin bazlı BDGH'lerin EDV'si %1,95'tir, ancak bu verim, ortak adsorban olarak 0,01 mM CDCA eklendiğinde %2,42'ye yükselmiştir. Ayrıca, alternatif ortak adsorbanlar olarak TEA ve DETA kullanıldığında, EDV sırasıyla %3,11 ve %4,33'e yükselmiştir. En iyi sonuçlar, DETA ile elde edilmiştir, bu da yalnızca boya agregasyonunu önlemekle kalmamış, aynı zamanda daha sıkı bir boya tabakası oluşturarak elektron enjeksiyon verimliliğini artırmıştır. Tek başına klorofilin EDV'si %1,19'dur, bu da antosiyanine göre daha düşüktür. Ancak, antosiyanin ile birlikte kokteyl ortak duyarlaştırma yöntemiyle kullanıldığında, EDV %2,39'a yükselmiş ve bu ortak duyarlaştırmanın ışık hasadının artmasında etkili olduğunu göstermiştir. Metal içermeyen sentetik boyalar (BIM33 ve C1) ile hazırlanan BDGH'ler için de ortak adsorbanlar önemli bir rol oynamıştır. TEA kullanıldığında, BIM33'ün EDV'si %3,19'dan %4,60'a, C1'in ise %5,01'den %6,31'e yükselmiştir. Bu durum, boyanın moleküler yapısına uygun ortak adsorban seçiminin önemini vurgulamaktadır. Antosiyaninin BIM33 ve C1 ile sıralı ortak duyarlaştırılması da verim artışlarına yol açmış ve sırasıyla %4,28 ve %6,25 EDV değerlerine ulaşılmıştır. Bu sonuçlar, sıralı ortak duyarlaştırma yaklaşımı ile doğal ve sentetik boyaları birleştirerek güneş hücresi performansını optimize etmek için potansiyel sunduğunu göstermiştir. Boyaların optik ve elektrokimyasal karakterizasyonları, HOMO ve LUMO enerji seviyelerinin, TiO2'nin iletkenlik bandına elektron enjeksiyonu ve redoks elektroliti tarafından yeniden üretilmesi için uygun olduğunu göstermiştir. Bu da BDGH'lerde verimli yük transferini sağlamıştır. IPCE analizleri, TEA ve DETA'nın kullanımıyla birlikte hücredeki foton-emilimden elektron taşımasına kadar olan tüm süreçlerin etkinliğini değerlendirilmiş ve JSC grafiği birleştirilerek hücrenin genel performansı üzerinde detaylı analiz yapılmıştır. Güneş hücrelerinde hücre performansını etkileyen elektro-kimyasal ve ara yüzey süreçlerini anlamak için EIS analizleri yapılmıştır. Nyquist diyagramlarında elde eldilen yük rekombinasyon direnci ve bode diyagramlarından tahmin edilen elektron ömrü, deneysel VOC değerlerindeki değişimlerle uyum göstermektedir. Sonuç olarak bu tez çalışmasında, BDGH'lerin verimliliğini ortak duyarlaştırma ve ortak adsorpsiyon stratejileriyle artırmaya yönelik önemli bulgular sunulmuştur. Antosiyanin ve klorofil gibi doğal boyaların, BIM33 ve C1 gibi sentetik boyalarla birleştirilmesi ve alternatif ortak adsorbanların (TEA ve DETA) kullanılması sayesinde, güneş hücrelerinin ışık toplama kapasiteleri ve elektron enjeksiyonu verimliliği artırılmıştır. En yüksek EDV, sentetik boya C1 ve TEA ortak adsorbanı ile %6,31 olarak elde edilirken, doğal boyalar için en iyi performans, antosiyanin ve DETA ile %4,33 olmuştur. Bu bulgular, sürdürülebilir ve çevre dostu BDGH'lerin, doğru boya ve ortak adsorban seçimiyle optimize edilerek daha yüksek verimliliklere ulaşabileceğini göstermektedir. Bu strateji, daha uygun maliyetli ve verimli güneş enerjisi teknolojilerine yönelik umut verici bir yol sunmaktadır.
Phylotacca amerıcana bitkisinden elde edilen pigmentlerin boya duyarlı güneş pillerinde kullanımlarının incelenmesi
Şekerciboyası bitkisinin (Phytolacca americana) meyvesinden (ŞBM) ve salkımından (ŞBS) ekstrakte edilen doğal boyalar, boya duyarlı güneş pillerinde (BDGP) fotoduyarlaştırıcı olarak kullanılmıştır. Tüm ekstraktlar saflaştırma ya da stabilizör eklenmesi gibi herhangi bir modifikasyon yapılmaksızın kullanılmıştır. Betalain ve prebetanin, ŞBM ve ŞBS ekstraktları için ana bileşikler olarak tespit edilmiştir. ŞBM ve ŞBS'nin ışın kullanım kapasitesine katkı sağlayan geniş absorpsiyon spektrumları verdikleri belirlenmiştir. BDGP'lerde yapılan testlerde en yüksek güç dönüşüm verimini (GDV) (% 3,04) ŞBS'nin gösterdiği ve bu verimi de ŞBM'nin (% 2,97) takip ettiği tespit edilmiştir. Öte yandan 120 saat boyunca güneş ışığına maruz bırakılan BDGP'lerin başlangıç verimlerine göre verimlerini ŞBM ve ŞBS için sırasıyla % 63 ve % 69 düzeylerinde korudukları gözlemlenmiştir.
Çinko, kobalt ve nikel içeren ftalosiyaninlerin boya duyarlı güneş pillerinde kullanımlarının incelenmesi
Bu çalışmada, şalkon ((E)-3-(4-hidroksifenil)-1-(tiyofen-2-il)prop-2-en-1-on) içeren periferal tetra-substitue metalli ftalosiyaninler (MPc, M = Zn, Co, Ni) boya duyarlı güneş pilleri (BDGP) için kullanılmıştır. Duyarlaştırıcı olarak kullanılan MPc'lerin elektrokimyasal, optik ve fotovoltaik özellikleri incelenmiştir. Elektrokimyasal analize göre ZnPc (4) ve NiPc (6) sadece Pc halkasına ait redoks reaksiyonları verirken, CoPc (5)'nin ise metalin 3d orbitallerinin Pc'nin HOMO ve LUMO seviyeleri arasında olması sebebiyle hem metal hem de halkadan kaynaklanan redoks reaksiyonları verdiği tespit edilmiştir. Kompleksteki redoks aktif metal iyonunun elektron transferini azaltması sebebiyle 5'ten imal edilen BDGP en düşük enerji dönüşüm verimini (% 0,51) vermiştir. Buna karşın, elektron transferini azaltmayan redoks inaktif metal iyonları içeren 4 ve 6 no'lu komplekslerden yapılmış BDGP'ler ise sırasıyla % 1,27 ve % 1,11 gibi makul düzeylerde enerji dönüşüm verimleri göstermişlerdir. Verimler arasındaki küçük de olsa görülen bu fark, 4'ün 6'ya göre daha küçük bant aralığı enerjisi ve daha yüksek molar absorpsiyon katsayısı göstermesinden kaynaklanıyor olabilir. Çünkü bu özellikler, görünür bölgede geniş absorpsiyon ve yüksek fotoakım görülmesine sebep olmaktadır. Anahtar kelimeler: Şalkon, Ftalosiyanin, Metal iyonlar, Elektrokimya, Boya duyarlı güneş pilleri.
Boya duyarlı güneş pillerinde Berberis Vulgarıs ekstraktlarının fotoduyarlaştırıcı olarak kullanımlarının incelenmesi
Kadıntuzluğu bitkisinin (Berberis Vulgaris) meyvesinden (KTM) ve kökünden (KTK) ekstrakte edilen doğal boyalar, boya duyarlı güneş pillerinde (BDGP) fotoduyarlaştırıcı olarak kullanılmıştır. Tüm ekstraktlar saflaştırma ya da stabilizör eklenmesi gibi modifikasyonlar yapılmaksızın kullanılmıştır. KTM ve KTK ekstraktlarındaki ana bileşiklerin sırasıyla antosiyanin ve izokinolin alkaloid olduğu tespit edilmiştir. KTM, KTK'ya göre daha geniş ışık absorpsiyonu gösterdiği halde KTM esaslı BDGP'nin enerji dönüşüm veriminin (%2,01) KTK'lı olandan (%2,35) daha küçük olduğu görülmüştür. Söz konusu düşük verim, KTK'nın zayıf elektron transfer kabiliyetinden kaynaklanıyor olabilir.Öte yandan 120 saat boyunca güneş ışığına maruz bırakılan BDGP'lerin başlangıç verimlerini KTM ve KTK için sırasıyla %91 ve %54 düzeylerinde korudukları gözlemlenmiştir. Buna göre makul düzeyde fotovoltaik performans ve yüksek kararlılık gösteren antosiyanin içeren ekstraktın düşük maliyetli ve çevre dostu BDGP uygulamaları için uygun olabileceği belirlendi.
Boya duyarlı güneş gözelerinin fotoelektrokimyasal performansına metoksi, dimetilamino ve trimetoksi elektron verici grupların etkisi
Bu çalışmada, konjuge π köprüsü olarak kaynaşık dibenzo[b,h] [1,6]naftiridin, elektron akseptör/bağlayıcı grup (A) olarak siyanoakrilik asit ve elektron donör grup (D) olarak trimetoksi (5a), metoksi (5b) ve dimetilamino (5c) gibi gruplar içeren D--A organik bileşikleri boya duyarlı güneş gözeleri (BDGG) için ilk kez kullanılmıştır. Donör gruplarının BDGG'lerin performansı üzerindeki etkisi optik, elektrokimyasal, teorik ve fotovoltaik yöntemler kullanılarak sistematik olarak incelenmiştir. 5c no'lu bileşiğin 5a ve 5b ile karşılaştırıldığında, dimetilamino grubunun diğerlerinden daha iyi elektron donör olmasından dolayı daha fazla fotonun absorpsiyonuna ve böylece daha fazla akımın oluşumuna imkân sağlayan daha geniş ve kırmızıya kaymış absorpsiyon spektrumuna sahip olduğu görülmüştür. Sonuç olarak, 5c ile üretilen BDGG, 5a ve 5b ile duyarlılaştırılmış güneş gözelerinden (% 3,22 ve % 2,13) elde edilenlerden daha yüksek bir enerji dönüşüm verimi (% 5,02) (N719 esaslı tabanlı standart gözenin veriminin yaklaşık % 60'ı) göstermiştir. Elde edilen yüksek fotovoltaik performans, IPCE ölçümleriyle de teyit edilen yüksek fotoakımdan kaynaklanmaktadır. Bu sonuçlar, kuvvetli bir elektron donör içeren dibenzo[b,h] [1,6]naftiridin köprüsünün BDGG'ler için etkili D--A organik boyalar oluşturmak için umut verici bir aday olduğunu göstermektedir.
Kinolin esaslı D-π-A organik boyaların güneş gözelerinde kullanımlarının incelenmesi
Bu çalışmada, boya duyarlı güneş gözeleri (BDGG'ler) için π-köprüsü olarak kinolin (5a ve 5b) ve piridokarbazol (5c) içeren üç yeni D-π-A organik boya kullanılmıştır. Deneysel ve teorik sonuçlar, piridokarbazollü boyaların, kinolin bazlı boyalara kıyasla uzun dalga boyunda ışık hasatı için uygun olabileceğini doğrulamıştır. Kenodeoksokolik asit (CDCA) ile birlikte 5a-c boyalarından üretilen BDGG'lerin enerji dönüşüm verimleri sırasıyla % 2,39, % 2,62 ve % 3,25'dir. Bununla birlikte, bu verimlerin yardımcı adsorbant (CDCA) yokluğunda elde edilen verimlere kıyasla sadece % 8-15 aralığında artması, 5a-c boyalarının moleküller arası agregasyonu baskıladığını ve yük rekombinasyonunu sınırladığını göstermektedir. Başka bir deyişle, bu çalışmayla D-π-A organik boyalarına π-köprüsü olarak kinolin veya piridokarbazol eklenmesiyle koadsorben içermeyen BDGG'lerin elde edilebileceği ortaya çıkarılmıştır.