Published July 28, 2022
| Version v1
Publication
Open
Synthesis of innovative triphenylamine-functionalized organic photosensitizers outperformed the benchmark dye N719 for high-efficiency dye-sensitized solar cells
- 1. Mansoura University
Description
Herein, we present a thorough photovoltaic investigation of four triphenylamine organic sensitizers with D-π-A configurations and compare their photovoltaic performances to the conventional ruthenium-based sensitizer N719. SFA-5-8 are synthesized and utilized as sensitizers for dye-sensitized solar cell (DSSC) applications. The effects of the donor unit (triphenylamine), π-conjugation bridge (thiophene ring), and various acceptors (phenylacetonitrile and 2-cyanoacetamide derivatives) were investigated. Moreover, this was asserted by profound calculations of HOMO (highest occupied molecular orbital) and LUMO (lowest unoccupied molecular orbital) energy levels, the molecular electrostatic potential (MEP), and natural bond orbital (NBO) that had been studied for the TPA-sensitizers. Theoretical density functional theory (DFT) was performed to study the distribution of electron density between donor and acceptor moieties. The sensitization by the absorption of sensitizers SFA-5-8 leads to an obvious enhancement in the visible light absorption (300-750 nm) as well as a higher photovoltaic efficiency in the range of (5.53-7.56%). Under optimized conditions, SFA-7 showed outstanding sensitization of nanocrystalline TiO2, resulting in enhancing the visible light absorption and upgrading the power conversion efficiency (PCE) to approximately 7.56% over that reported for the N719 (7.29%). Remarkably, SFA-7 outperformed N719 by 4% in the total conversion efficiency. Significantly, the superior performance of SFA-7 could be mainly ascribed to the higher short-circuit photocurrents (Jsc) in parallel with larger open-circuit voltages (Voc) and more importantly, the presence of different anchoring moieties that could enhance the ability to fill the gaps on the surface of the TiO2 semiconductor. That could be largely reflected in the overall enhancement in the device efficiency. Moreover, the theoretical electronic and photovoltaic properties of all studied sensitizers have been compared with experimental results. All the 2-cyanoacrylamide derivative sensitizers demonstrated robust photovoltaic performance.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
هنا، نقدم تحقيقًا ضوئيًا شاملاً لأربعة محفزات عضوية ثلاثية الفينيل أمين مع تكوينات D - π - A ومقارنة أدائها الكهروضوئي بالمحسس التقليدي القائم على الروثينيوم N719. يتم تصنيع SFA -5-8 واستخدامه كمحفزات لتطبيقات الخلايا الشمسية المحسسة للصبغة (DSSC). تم فحص تأثيرات الوحدة المانحة (ثلاثي فينيل أمين)، وجسر الاقتران π (حلقة الثيوفين)، ومستقبلات مختلفة (فينيل أسيتونيتريل ومشتقات 2 -سيانوأسيتاميد). علاوة على ذلك، تم تأكيد ذلك من خلال الحسابات العميقة لمستويات طاقة الإنسان (أعلى مدار جزيئي مشغول) و LUMO (أدنى مستويات طاقة مدارية جزيئية غير مشغولة)، والجهد الكهروستاتيكي الجزيئي (MEP)، ومدار الرابطة الطبيعية (NBO) التي تمت دراستها لمسببات حساسية TPA. تم إجراء نظرية وظيفية الكثافة النظرية (DFT) لدراسة توزيع كثافة الإلكترون بين الأجزاء المانحة والمتقبلة. يؤدي التحسس عن طريق امتصاص المحسس SFA -5-8 إلى تعزيز واضح في امتصاص الضوء المرئي (300-750 نانومتر) بالإضافة إلى كفاءة كهروضوئية أعلى في نطاق (5.53-7.56 ٪). في ظل الظروف المثلى، أظهر SFA -7 حساسية رائعة لـ TiO2 النانوي البلوري، مما أدى إلى تعزيز امتصاص الضوء المرئي ورفع كفاءة تحويل الطاقة (PCE) إلى ما يقرب من 7.56 ٪ مقارنة بما تم الإبلاغ عنه لـ N719 (7.29 ٪). بشكل ملحوظ، تفوقت SFA -7 على N719 بنسبة 4 ٪ في إجمالي كفاءة التحويل. والأهم من ذلك، يمكن أن يعزى الأداء المتفوق لـ SFA -7 بشكل أساسي إلى الموجات الضوئية ذات الدائرة القصيرة الأعلى (Jsc) بالتوازي مع الفولتية الأكبر للدائرة المفتوحة (Voc) والأهم من ذلك، وجود أجزاء تثبيت مختلفة يمكن أن تعزز القدرة على سد الفجوات على سطح أشباه موصلات TiO2. يمكن أن ينعكس ذلك إلى حد كبير في التحسين الشامل لكفاءة الجهاز. علاوة على ذلك، تمت مقارنة الخصائص الإلكترونية والضوئية النظرية لجميع المحفزات المدروسة بالنتائج التجريبية. أظهرت جميع المحسسّات المشتقة من 2 -سيانوأكريلاميد أداءً كهروضوئيًا قويًا.Translated Description (French)
Nous présentons ici une étude photovoltaïque approfondie de quatre sensibilisateurs organiques à base de triphénylamine avec des configurations D-π-A et comparons leurs performances photovoltaïques au sensibilisateur conventionnel à base de ruthénium N719. Les SFA-5-8 sont synthétisés et utilisés comme sensibilisants pour les applications de cellules solaires sensibilisées par colorant (DSSC). Les effets de l'unité donneuse (triphénylamine), du pont de conjugaison π (cycle thiophène) et de divers accepteurs (dérivés du phénylacétonitrile et du 2-cyanoacétamide) ont été étudiés. De plus, cela a été affirmé par des calculs approfondis des niveaux d'énergie HOMO (orbitale moléculaire occupée la plus élevée) et LUMO (orbitale moléculaire inoccupée la plus basse), du potentiel électrostatique moléculaire (MEP) et de l'orbitale de liaison naturelle (NBO) qui avaient été étudiés pour les sensibilisateurs au TPA. La théorie fonctionnelle de la densité théorique (DFT) a été réalisée pour étudier la distribution de la densité électronique entre les fractions donneur et accepteur. La sensibilisation par l'absorption des sensibilisants SFA-5-8 conduit à une amélioration évidente de l'absorption de la lumière visible (300-750 nm) ainsi qu'à une efficacité photovoltaïque plus élevée de l'ordre de (5,53-7,56%). Dans des conditions optimisées, le SFA-7 a montré une sensibilisation exceptionnelle du TiO2 nanocristallin, ce qui a permis d'améliorer l'absorption de la lumière visible et d'améliorer l'efficacité de conversion de puissance (pce) à environ 7,56 % par rapport à celle rapportée pour le N719 (7,29 %). Remarquablement, SFA-7 a surperformé N719 de 4% dans l'efficacité totale de conversion. De manière significative, les performances supérieures du SFA-7 pourraient être principalement attribuées aux photocourants de court-circuit (Jsc) plus élevés en parallèle avec des tensions de circuit ouvert (Voc) plus grandes et, plus important encore, à la présence de différentes fractions d'ancrage qui pourraient améliorer la capacité à combler les lacunes à la surface du semi-conducteur TiO2. Cela pourrait se refléter en grande partie dans l'amélioration globale de l'efficacité de l'appareil. De plus, les propriétés électroniques et photovoltaïques théoriques de tous les sensibilisateurs étudiés ont été comparées aux résultats expérimentaux. Tous les sensibilisants dérivés de 2-cyanoacrylamide ont démontré des performances photovoltaïques robustes.Translated Description (Spanish)
A continuación, presentamos una investigación fotovoltaica exhaustiva de cuatro sensibilizadores orgánicos de trifenilamina con configuraciones D-π-A y comparamos sus rendimientos fotovoltaicos con el sensibilizador convencional a base de rutenio N719. Los SFA-5-8 se sintetizan y utilizan como sensibilizadores para aplicaciones de células solares sensibilizadas por colorantes (DSSC). Se investigaron los efectos de la unidad donante (trifenilamina), el puente de conjugación π (anillo de tiofeno) y varios aceptores (derivados de fenilacetonitrilo y 2-cianoacetamida). Además, esto fue afirmado por cálculos profundos de los niveles de energía HOMO (orbital molecular ocupado más alto) y Lumo (orbital molecular desocupado más bajo), el potencial electrostático molecular (MEP) y el orbital de enlace natural (NBO) que se habían estudiado para los sensibilizadores de TPA. La teoría funcional de densidad teórica (DFT) se realizó para estudiar la distribución de la densidad electrónica entre los restos donante y aceptor. La sensibilización por la absorción de sensibilizadores SFA-5-8 conduce a una mejora obvia en la absorción de luz visible (300-750 nm), así como a una mayor eficiencia fotovoltaica en el rango de (5.53-7.56%). En condiciones optimizadas, SFA-7 mostró una excelente sensibilización de Tío2 nanocristalino, lo que resultó en la mejora de la absorción de luz visible y la mejora de la eficiencia de conversión de energía (PCE) a aproximadamente el 7,56% sobre la informada para el N719 (7,29%). Sorprendentemente, SFA-7 superó a N719 en un 4% en la eficiencia de conversión total. Significativamente, el rendimiento superior de SFA-7 podría atribuirse principalmente a las mayores fotocorrientes de cortocircuito (Jsc) en paralelo con mayores voltajes de circuito abierto (Voc) y, lo que es más importante, a la presencia de diferentes restos de anclaje que podrían mejorar la capacidad de llenar los huecos en la superficie del semiconductor de Tío2. Eso podría reflejarse en gran medida en la mejora general de la eficiencia del dispositivo. Además, se han comparado las propiedades electrónicas y fotovoltaicas teóricas de todos los sensibilizadores estudiados con los resultados experimentales. Todos los sensibilizadores derivados de 2-cianoacrilamida demostraron un sólido rendimiento fotovoltaico.Files
s41598-022-17041-1.pdf.pdf
Files
(3.3 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:d4ac3cbf56135ef3b160907a72d6aaa3
|
3.3 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تفوّق تركيب المحسّسات الضوئية العضوية المبتكرة التي تعمل بثلاثي فينيل أمين على الصبغة المعيارية N719 للخلايا الشمسية عالية الكفاءة المحسّسة للصبغة
- Translated title (French)
- La synthèse de photosensibilisateurs organiques innovants fonctionnalisés par la triphénylamine a surpassé le colorant de référence N719 pour les cellules solaires à haute efficacité sensibilisées par un colorant
- Translated title (Spanish)
- La síntesis de innovadores fotosensibilizadores orgánicos funcionalizados con trifenilamina superó al colorante de referencia N719 para células solares sensibilizadas con colorante de alta eficiencia
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4288445677
- DOI
- 10.1038/s41598-022-17041-1
References
- https://openalex.org/W1963889314
- https://openalex.org/W1977634035
- https://openalex.org/W2003825786
- https://openalex.org/W2007764715
- https://openalex.org/W2033509635
- https://openalex.org/W2034743675
- https://openalex.org/W2045962321
- https://openalex.org/W2053782439
- https://openalex.org/W2061453094
- https://openalex.org/W2084750931
- https://openalex.org/W2095966120
- https://openalex.org/W2116327492
- https://openalex.org/W2121304740
- https://openalex.org/W2153339070
- https://openalex.org/W2296931932
- https://openalex.org/W2318137467
- https://openalex.org/W2333994761
- https://openalex.org/W2334568554
- https://openalex.org/W2515496264
- https://openalex.org/W2537165129
- https://openalex.org/W2551908843
- https://openalex.org/W2681209552
- https://openalex.org/W2756572148
- https://openalex.org/W2781563463
- https://openalex.org/W2904803226
- https://openalex.org/W2913925601
- https://openalex.org/W2978920423
- https://openalex.org/W2984712558
- https://openalex.org/W3001911832
- https://openalex.org/W3002691738
- https://openalex.org/W3011507658
- https://openalex.org/W3015704403
- https://openalex.org/W3023446178
- https://openalex.org/W3034148181
- https://openalex.org/W3046603271
- https://openalex.org/W3090462441
- https://openalex.org/W3125241406
- https://openalex.org/W3131489094
- https://openalex.org/W3137184013
- https://openalex.org/W3141971692
- https://openalex.org/W3163486574
- https://openalex.org/W3173913488
- https://openalex.org/W3206745772
- https://openalex.org/W3207939547
- https://openalex.org/W3212830921
- https://openalex.org/W3216364778
- https://openalex.org/W4205143896
- https://openalex.org/W4205925502
- https://openalex.org/W4206205751
- https://openalex.org/W4206315870
- https://openalex.org/W4210246633
- https://openalex.org/W4242636344