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.