Design, synthesis, and performance evaluation of TiO2-dye sensitized solar cells using 2,2′-bithiophene-based co-sensitizers
Creators
- 1. Mansoura University
- 2. Ain Shams University
Description
We report on the synthesis and characterization of six novel 2,2'-bithiophene-based organic compounds (3a-c and 5a-c) that are designed to serve as co-sensitizers for dye-sensitized solar cells (DSSCs) based on TiO2. The compounds are linked to various donor and acceptor groups, and we confirm their chemical structures through spectral analyses. Our focus is on enhancing the performance of metal based N3, and the compounds were designed to operate at the nanoscale. We performed absorption and fluorescence emission measurements in dimethylformamide (DMF), where one of our compounds 5a exhibited the longest maximum absorption and maximum emission wavelengths, indicating the significant impact of the para methoxy group as a strong electron-donating group. Our dyes 5a + N3 (η = 7.42%) and 5c + N3 (η = 6.57%) outperformed N3 (η = 6.16%) alone, where the values of short current density (JSC) and open circuit voltage (VOC) for these two systems also improved. We also investigated the charge transfer resistance at the TiO2/dye/electrolyte interface using electrochemical impedance spectroscopy (EIS), which is important in the context of nanotechnology. According to the Nyquist plot, the 5a + N3 cocktail exhibited the lowest recombination rate, resulting in the highest VOC. Our theoretical calculations based on density functional theory (DFT) are also in agreement with the experimental process. These findings suggest that our compounds have great potential as efficient DSSC co-sensitizers. This study provides valuable insights into the design and synthesis of new organic compounds for use as co-sensitizers in DSSCs based on TiO2 and highlights the potential of these compounds for use in efficient solar energy conversion.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
نقدم تقريرًا عن تخليق وتوصيف ستة مركبات عضوية جديدة قائمة على البيثيوفين (3a - c و 5a - c) تم تصميمها لتكون بمثابة محسس مساعد للخلايا الشمسية المحسسة للصبغ (DSSCs) بناءً على TiO2. ترتبط المركبات بمجموعات مانحة ومتقبلة مختلفة، ونؤكد تركيباتها الكيميائية من خلال التحليلات الطيفية. ينصب تركيزنا على تعزيز أداء N3 المعدني، وقد تم تصميم المركبات للعمل على المقياس النانوي. أجرينا قياسات لانبعاثات الامتصاص والفلورة في ثنائي ميثيل فورماميد (DMF)، حيث أظهر أحد مركباتنا 5 أ أطول أطوال موجية للامتصاص الأقصى والانبعاثات القصوى، مما يشير إلى التأثير الكبير لمجموعة بارا ميثوكسي كمجموعة قوية مانحة للإلكترونات. تفوقت أصباغنا 5a + N3 (η = 7.42 ٪) و 5c + N3 (η = 6.57 ٪) على N3 (η = 6.16 ٪) وحدها، حيث تحسنت أيضًا قيم كثافة التيار القصير (JSC) وجهد الدائرة المفتوحة (VOC) لهذين النظامين. قمنا أيضًا بالتحقيق في مقاومة نقل الشحنة في واجهة TiO2/dye/electrolyte باستخدام مطياف المعاوقة الكهروكيميائية (EIS)، وهو أمر مهم في سياق تكنولوجيا النانو. وفقًا لمؤامرة نيكويست، أظهر كوكتيل 5a + N3 أدنى معدل لإعادة التركيب، مما أدى إلى أعلى مركب عضوي متطاير. تتوافق حساباتنا النظرية القائمة على نظرية وظيفية الكثافة (DFT) أيضًا مع العملية التجريبية. تشير هذه النتائج إلى أن مركباتنا لديها إمكانات كبيرة كمحسس مشارك فعال لـ DSSC. توفر هذه الدراسة رؤى قيمة حول تصميم وتوليف المركبات العضوية الجديدة لاستخدامها كمحساسيات مشتركة في DSSCs بناءً على TiO2 وتسلط الضوء على إمكانات هذه المركبات للاستخدام في تحويل الطاقة الشمسية بكفاءة.Translated Description (French)
Nous rapportons la synthèse et la caractérisation de six nouveaux composés organiques à base de 2,2'-bithiophène (3a-c et 5a-c) qui sont conçus pour servir de co-sensibilisateurs pour les cellules solaires sensibilisées aux colorants (DSSC) à base de TiO2. Les composés sont liés à divers groupes donneurs et accepteurs, et nous confirmons leurs structures chimiques par des analyses spectrales. Notre objectif est d'améliorer les performances du N3 à base de métal, et les composés ont été conçus pour fonctionner à l'échelle nanométrique. Nous avons effectué des mesures d'absorption et d'émission de fluorescence dans le diméthylformamide (DMF), où l'un de nos composés 5a présentait les longueurs d'onde d'absorption et d'émission maximales les plus longues, indiquant l'impact significatif du groupe para méthoxy en tant que groupe donneur d'électrons fort. Nos colorants 5a + N3 (η = 7,42 %) et 5c + N3 (η = 6,57 %) ont surperformé N3 (η = 6,16 %) seul, où les valeurs de densité de courant court (JSC) et de tension en circuit ouvert (VOC) pour ces deux systèmes se sont également améliorées. Nous avons également étudié la résistance de transfert de charge à l'interface TiO2/colorant/électrolyte en utilisant la spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS), ce qui est important dans le contexte de la nanotechnologie. Selon la parcelle Nyquist, le cocktail 5a + N3 présentait le taux de recombinaison le plus faible, entraînant le COV le plus élevé. Nos calculs théoriques basés sur la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) sont également en accord avec le processus expérimental. Ces résultats suggèrent que nos composés ont un grand potentiel en tant que co-sensibilisateurs DSSC efficaces. Cette étude fournit des informations précieuses sur la conception et la synthèse de nouveaux composés organiques destinés à être utilisés comme co-sensibilisateurs dans les DSSC à base de TiO2 et met en évidence le potentiel de ces composés pour une utilisation dans la conversion efficace de l'énergie solaire.Translated Description (Spanish)
Informamos sobre la síntesis y caracterización de seis nuevos compuestos orgánicos basados en 2,2'-bitiofeno (3a-c y 5a-c) que están diseñados para servir como cosensibilizadores para células solares sensibilizadas por colorantes (DSSC) basadas en TiO2. Los compuestos están vinculados a varios grupos donantes y aceptores, y confirmamos sus estructuras químicas a través de análisis espectrales. Nuestro objetivo es mejorar el rendimiento del N3 a base de metal, y los compuestos fueron diseñados para funcionar a nanoescala. Realizamos mediciones de absorción y emisión de fluorescencia en dimetilformamida (DMF), donde uno de nuestros compuestos 5a exhibió las longitudes de onda de absorción máxima y emisión máxima más largas, lo que indica el impacto significativo del grupo para metoxi como un grupo donador de electrones fuerte. Nuestros colorantes 5a + N3 (η = 7,42%) y 5c + N3 (η = 6,57%) superaron a N3 (η = 6,16%) solos, donde también mejoraron los valores de densidad de corriente corta (JSC) y tensión en circuito abierto (VOC) para estos dos sistemas. También investigamos la resistencia de transferencia de carga en la interfaz Tío2/colorante/electrolito utilizando espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS), que es importante en el contexto de la nanotecnología. Según el gráfico de Nyquist, el cóctel 5a + N3 exhibió la tasa de recombinación más baja, lo que resultó en el VOC más alto. Nuestros cálculos teóricos basados en la teoría funcional de la densidad (DFT) también están de acuerdo con el proceso experimental. Estos hallazgos sugieren que nuestros compuestos tienen un gran potencial como cosensibilizadores DSSC eficientes. Este estudio proporciona información valiosa sobre el diseño y la síntesis de nuevos compuestos orgánicos para su uso como cosensibilizadores en DSSC basadas en TiO2 y destaca el potencial de estos compuestos para su uso en la conversión eficiente de energía solar.Files
s41598-023-40830-1.pdf.pdf
Files
(2.9 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:d01ec19f1b75becc58f70015987cec6e
|
2.9 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تصميم وتوليف وتقييم أداء الخلايا الشمسية المحسّسة لصبغة TiO2 باستخدام المحسّسات المشتركة القائمة على البيثيوفين2,2'
- Translated title (French)
- Conception, synthèse et évaluation des performances des cellules solaires sensibilisées au colorant TiO2 à l'aide de co-sensibilisateurs à base de 2,2′ -bithiophène
- Translated title (Spanish)
- Diseño, síntesis y evaluación del rendimiento de células solares sensibilizadas con colorante de TiO2 utilizando cosensibilizadores a base de 2,2'-bitiofeno
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4386141943
- DOI
- 10.1038/s41598-023-40830-1
References
- https://openalex.org/W1971459108
- https://openalex.org/W1971589602
- https://openalex.org/W1974424042
- https://openalex.org/W1983416434
- https://openalex.org/W1984576643
- https://openalex.org/W1998606495
- https://openalex.org/W2003345987
- https://openalex.org/W2004089558
- https://openalex.org/W2011866185
- https://openalex.org/W2023271753
- https://openalex.org/W2023793218
- https://openalex.org/W2023831556
- https://openalex.org/W2026667463
- https://openalex.org/W2041424701
- https://openalex.org/W2053222609
- https://openalex.org/W2054430355
- https://openalex.org/W2056610257
- https://openalex.org/W2057451492
- https://openalex.org/W2063296173
- https://openalex.org/W2081754847
- https://openalex.org/W2087838091
- https://openalex.org/W2095062688
- https://openalex.org/W2099022450
- https://openalex.org/W2121304740
- https://openalex.org/W2165157678
- https://openalex.org/W2394961293
- https://openalex.org/W2587663149
- https://openalex.org/W2588774754
- https://openalex.org/W2772153098
- https://openalex.org/W2788937759
- https://openalex.org/W2949332438
- https://openalex.org/W3015704403
- https://openalex.org/W3015841874
- https://openalex.org/W3035867726
- https://openalex.org/W3120796269
- https://openalex.org/W3182178767
- https://openalex.org/W3205788171
- https://openalex.org/W3217626753
- https://openalex.org/W4205649367
- https://openalex.org/W4213451470
- https://openalex.org/W4221064558
- https://openalex.org/W4224214588
- https://openalex.org/W4229448359
- https://openalex.org/W4241456496
- https://openalex.org/W4282045561
- https://openalex.org/W4285310200
- https://openalex.org/W4288445677
- https://openalex.org/W4293077198
- https://openalex.org/W4296049363
- https://openalex.org/W4308567649
- https://openalex.org/W4309185151
- https://openalex.org/W4312100435
- https://openalex.org/W4323032974
- https://openalex.org/W4362673340
- https://openalex.org/W571042174