Akridin esaslı bazı yeni bileşiklerin sentezi ve boya duyarlı güneş hücrelerinde uygulamaları

Akridinler, azot içeren heterosiklik bileşiklerin önemli bir sınıfıdır. Düzlemsel trisiklik aromatik yapıya sahip akridin bileşikleri, pigment ve boyama özelliklerine, iyi derecede foto-kimyasal/fiziksel ve elektrokimyasal özelliklere sahiptir. Bu özelliklerinden dolayı akridinler çeşitli kullanım alanlarına sahiptirler. Floresan özelliğinden dolayı yeni floresan probların oluşturulmasında kullanılırlar. Bu bileşikler yakınlarındaki biyolojik dokular tarafından istenmeyen emilimi, otofloresansı ve saçılmayı engellemek için daha uzun dalga boylarında ışık yayabilirler. Aynı zamanda lazer boyalar için aktif ortam olarak da kullanılmışlardır. Akridinlerin iridyum kompleksleri, OLED uygulamalarında ışık yayan malzemeler olarak kullanılmıştır. Bu bilgiler ışığında bazı yeni akridin türevleri sentezlenerek boya duyarlı güneş pillerinde (BDGP) duyarlaştırıcı olarak ilk kez kullanılmışlardır. BDGP'lerde kullanılacak olan boyaların verimini arttırmak için belli bir yapısal dizilime sahip olması gerekmektedir. Temel olarak, organik boyaların tasarımı D-π-A yapısına dayanır, bu yapıda ilk kısım (D) verici grubu temsil ederken ikinci kısım (A) alıcı grubunu temsil eder. Orta kısım (π-köprü), D ve A arasında konjuge bir bağlayıcı olarak D-π-A yapı çerçevesinde önemli bir rol oynar. D-π-A yapısı, uyarılma durumunda intra-moleküler yük transferini (ICT) kolaylaştıran ve sentetik yaklaşılabilirliği olan yüksek performanslı organik duyarlaştırıcılarla karakterize edilir. Son zamanlarda, farklı birçok çalışma, D-π-A yapısına sahip malzemelerin rolünü açıklamakta ve bu bileşiklerin organik güneş pillerindeki önemini ortaya koymaktadır. Yapılan yeni çalışmalarda D-π-A yapısındaki boyalara yardımcı olarak görev alacak akseptörler ve yeni π-köprüleri eklenmeye başlanmıştır. Bu yapılar ya D-A-π-A ya da D-π-A-π-A formuna dönüşmektedir. Bütün bu gelişmelere rağmen organik boyaların tamamı, güçlü moleküler etkileşimler nedeniyle uzun süreli π-konjugasyonu ve π-π istiflenmesine eğilimlidir ki bu da agregasyona yol açabilir. Bu, absorpsiyon spektrumunun genişlemesiyle ışık hasadı için avantaj sağlarken, π-istifli agregalar genellikle düşük güç dönüşüm verimliliği (PCE) ile sonuçlanan verimsiz elektron enjeksiyonuna neden olur. Bu sorunu önlemek için, boya molekülünün donör bölümlerini dallanmış alkoksi gruplarıyla modifiye etmek etkili bir stratejidir, ancak bazen hacimli sübstitüentlerin boya agregasyonunu tamamen bastıramayabileceği gözlemlenmiştir. Bu sorunu aşmak için, bir yardımcı adsorban kullanmak pratik bir yaklaşımdır. Yardımcı adsorbanlar, boya biriktirmesini baskılayarak elektron enjeksiyonunu iyileştirir ve yük rekombinasyonunu azaltır, böylece hücre performansını artırır. Ayrıca, boya ve yardımcı adsorbanların birleşimi, yarı iletken yüzeyinde boşlukları engelleyerek tek başına boya tabakasına göre daha kompakt bir tabaka oluşmasını sağlar. Bazı fosfonik asitler, organik bazlar, karboksilik asitler ve asetilaseton gibi yardımcı adsorbanlar, BDGP'lerin fotovoltaik performansını artırmak için etkili olduğu gösterilmiştir. Doğal olarak doygun bir polisiklik molekül olan kenodeoksikolik asit (CDCA), bir karboksilik asit bağlayıcı grubu içeren steroid yapısıyla en çok yönlü ve popüler yardımcı adsorbanlardan biridir. CDCA, bir ila üç hidroksil grubu ve esnek bir karboksilik asit zinciri içeren bileşiklerdir. Bu nedenle, amfifilik ve kiral bileşiklerdir. Daha sonra fotovoltaik pillerde yarı iletken malzemenin yüzeyine de bağlanabilecekleri keşfedilerek boya ile yarı ieltken malzeme arasında oluşabilen olumsuzlukların ortadan kaldırılmasına yardımcı olmuştur. Tez çalışması kapsamında D-π-A-π-A yapısında sentezlenen boyalarda, donör olarak hacimli alkoksi gruplar içeren trifenilamin, π-köprüsü olarak ilk kez kullanılacak olan akridin, yardımcı akseptör olarak benzotiyadiazol (BIM25) ve benzotriazol (BIM26) bileşikleri, yine π-köprüsü olarak fenil bileşiği ve akseptör olarak da siyano akrilik asit bileşiği ilk kez sentezlendi. Boya duyarlı güneş pillerinde duyarlaştırıcı olarak kullanılan bir boyanın absorpladığı ışıkla söz konusu BDGP'nin enerji dönüşüm verimliliği (EDV) genellikle paraleldir. Bu doğrultuda ilgili boyanın görünür spektral bölgede geniş absorpsiyon yapması önemlidir. Bilindiği gibi görünür bölge 380-700 nm arasında olup, BDGP'nin etkili bir şekilde çalışabilmesi için boyanın belirtilen bu aralıkta absorpsiyon vermesi gerekmektedir. Hatta boyanın bu görünür bölge aralığını geçip yakın infrared bölgesinde (NIR) absorpsiyon vermesi daha da iyi olabilir. BDGP'lerde yarı iletken malzeme olarak en yaygın TiO2 ve elektrolit olarak ise I-/I3- redoks çifti içeren iyodolit kullanılmaktadır. Bir boyanın BDGP'lerde etkili bir şekilde çalışabilmesi için boyaya ait HOMO enerji seviyesinin elektrolitin Nernst potansiyelinden (0,4 eV) daha pozitif olması ve LUMO enerji seviyesininde TiO2'nin iletim bandından (-0,5 eV) daha negatif olması gerelmektedir. Çalışmada sentezlenen boyalar (BIM25 ve BIM26) ilk önce optik olarak karakterize edilmiş ve sırasıyla 402 nm ve 422 nm'de absorpsiyon verdikleri belirlenmiştir. Daha sonra elektrokimyasal olarak karakterize edilerek herbir boya için HOMO enerji seviyeleri (BIM25 için 0,96 eV, BIM26 için 0,99 eV) ve LUMO enerji seviyeleri (BIM25 için -1,47 eV, BIM26 için -1,46 eV) bulunmuştur. Tüm bu sonuçlar boyaların etkili bir şekilde ışık hasadı yapacağını ve hazırlanan BDGP'lerde yeterli elektron enjeksiyonu ve boya rejenerasyonu olaylarını kolaylıkla gerçekleştirebileceğini göstermiştir. TiO2 yüzeyine adsorbe olan boya miktarı enerji dönüşüm verimliliğini etkileyen faktörlerden biridir. Bunun için BIM25 ve BIM26 boyalarının fotovoltaik performanslarını incelemeye başlamadan önce uygun çözücü araştırıldı. Bu işlemi gerçekleştirmek için hazırlnan anotlar tetrahidrofuran (THF) ve dikolorometan (DCM) içerisindeki boya çözeltilerinde uygun sürelerde tutularak boya duyarlı güneş pillerinin enerji dönüşüm verimliliği tespit edildi. Verimin fazla olduğu çözücü saptanıp çalışmaya devam edildi. Çözücü seçimi için transparan özellikli iki katlı (TSP/TSP) TiO2 anotlar çözücü içerisinde yarım saat bekletildi. Çözücüyü belirledikten sonra TiO2'nin yapısal özelliklerine göre iki farklı anot(pasta) tipi hazırlandı. Anotlar 18-20 nm partikül büyüklüğüne sahip olan transparan özellikli bir TiO2 (TSP/TSP) iki kat olacak şekilde uygulandı. Diğer anot ise ilk katmanı transparan özellikli TiO2 ikinci katmanı ise hem küçük partiküllü hemde büyük partiküllü karışım olan difüze özellikli TiO2'nin (TSP/DSP) uygulanması ile elde edildi. Her iki boya için hazırlanan bu anotlar daha önceden belirlenmiş olan THF çözeltisi içinde belli süre bekletildi. Elde edilen enerji dönüşüm verimliliği yüksek gelen anot olan TSP/TSP fotoanotu ile çalışmaya devam edildi. Uygun çözücüsü ve uygun TiO2 pastaları seçilen BDGP'lerin çözücü içerisinde bekletilme süreleri belirlendi. Bu süre, yarı iletken yüzeye adsorbe olan boya miktarının en fazla olduğu süre yani enerji dönüşüm verimliliğinin maksimum olduğu süre belirlendi. BIM25 ve BIM26 boyası için seçilen çözücü THF, en uygun pasta olarak da TSP/TSP özellikli TiO2 pastalar belirlendi. Enerji dönüşüm verimlilikleri BIM25 için; 24 saat adsorpsiyon süresi ile % 3,75, BIM26 için 16 saat adsorpsiyon süresi ile % 4,56 olduğu saptandı. Sentezlenen boyaların büyük moleküller olmasına rağmen TiO2 yüzeyine tam olarak düzgün dizilim göstermemişlerdir. Bu dizilimlerin düzgün olması için daha küçük molekül yapısına sahip CDCA kullanıldı. Her bir boya için hazırlanan karışımlara belirli konsantrasyonlarda CDCA eklenerek en iyi sonuca göre boyanın istiflenmesi hakkında yorum yapıldı. BIM25 boyası için 0,1 mM, 0,3 mM ve 0,5 mM CDCA denendi ve en iyi sonuç 0,3 mM CDCA ile % 5,58 verim elde edildi. BIM26 boyası için ise 0,1 mM ve 0,3 mM CDCA denenerek en iyi sonucun 0,1 mM CDCA konsantrasyonunda olup % 5,53 enerji dönüşüm verimliliği elde edildi. Sonuçların kıyaslanması ile daha az CDCA ile daha yüksek verim veren boyanın agregasyonunun yani isitiflenmesinin daha az olduğu söylenebildi. Bu sonuçlar doğrultusunda; BIM26 boyası BIM25 boyasına göre daha az agregasyona uğradığı gözlemlendi. Bu bileşiklerin BDGP'lerde çalışabildiğini göstermek için % enerji dönüşüm verimi (η), % foton akım dönüşüm verimliliği (IPCE), dönüşümlü voltametri (CV) ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) teknikleri kullanılarak fotovoltaik performansları bulunmuştur.