تحضير مواد هجينة عضوية-لاعضوية لبوليمرات اكاسيد الفلزات للتطبيقات الكهروضوئية

رسالة ماجستير

اسم الباحث : مريم خليل جليل

اسم المشرف : أ.د. عدنان ابراهيم محمد أ.م.د. احمد هادي اليساري

الكلمات المفتاحية :

الكلية : كلية العلوم

الاختصاص : علوم الكيمياء

سنة نشر البحث : 2023

تحميل الملف : اضغط هنا لتحميل البحث

الخلاصة

في هذا العمل، تم تصميم وتحضير سلسلة من الصبغات الهجينة الجديدة عضوية-لاعضوية لبوليمرات اكاسيد الفلزات كنظام مانح – جسر- مستقبل حيث يمكن استخدامها كمحسس/أو محسس مساعد في الخلايا الشمسية المتحسسة للصبغة (DSSCs). في البداية، قمنا نظريًا، باستخدام مزيج من حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) ونظرية الكثافة الوظيفية المعتمدة على الوقت (TDDFT)، ودرسنا بشكل منهجي كروموفورات جديدة يتم فيها توصيل مستقبل الإلكترون لمشتقات هكسامولبيدات نوع ( Lindqvist )عبر مجموعات فنيل يميدو مع المانح للإلكترون العضوي مثل (اكردين-يميدو-هكسامولبيدات (1)، اكردين-9-فنيل استلين- يميدو-هكسامولبيدات (2)، امينوانثراسين-يميدو-هكسامولبيدات (3)، -2-امينو-3-كاربوكسيل انثراسين-يميدو-هكسامولبيدات (4)، انثراسين- يميدو-هكسامولبيدات (5)، انثراكوينون- يميدو-هكسامولبيدات (6)، اميدوانثراكوينون- يميدو-هكسامولبيدات (7)، بروموفنيل- يميدو-هكسامولبيدات (8)). تم تقييم مستويات الطاقة للمدارات الجزيئية الحدودية، وأطياف الامتصاص مع عوامل الانتقال الإلكترونية، والحدود الكهروضوئية للصبغات 1-4 بشكل منهجي. لقد وجد أن مستويات طاقة HOMO للصبغات 1-4 أكثر سلبية من الأكسدة والاختزال في I-/I3- ومستويات طاقة LUMO أعلى من نطاق التوصيل لـ TiO2، مما يشير إلى أن هذه الصبغات تتوافق مع متطلبات النوع n DSSCs. تنخفض مستويات HOMO بالترتيب 4 > 3 > 2 > 1، وتنخفض مستويات LUMO أيضًا بالترتيب 4 > 3 > 2 >1. استنادًا إلى حسابات TD-DFT، تتمتع جميع الأنظمة 1-4 بنطاقات امتصاص في المنطقة المرئية تتراوح من 420 إلى 494 نانومتر تقريبًا، مع قوة مذبذب عالية نسبيًا على الرغم من النظام 4، حيث يتمتع 1 (نظام POM-acridine) بأكبر طول موجي لامتصاص أقصى λmax من 494 نانومتر مع fos = 0.8657 و Δr = 3.66 Å. تؤكد هذه النتائج مدى ملاءمة جميع الصبغات المدروسة لـ DSSCs من النوع n ويمكن إدخال الأصباغ التي تم فحصها كصبغة ماصة نشطة بالإضافة إلى صبغة رئيسية. أظهرت جميع الصبغات طاقة إعادة تنظيم ملحوظة لنقل الإلكترون (λe) وبالتالي زيادة معدل نقل الإلكترون. نظرًا للامتصاص القوي في المنطقة المرئية، فضلاً عن كفاءة حصاد الضوء العالية (LHE)، وكفاءة تجديد الصبغة (DRE)، وكفاءة حقن الإلكترون (Φinj)، تعد الصبغات 2 و3 من أكثر المرشحين الواعدين لمواد DSSC عالية الأداء. لقد حفزتنا نتائج DFT الواعدة على استكشاف التحضير التجريبي لهذه الصبغات. تم تشخيص جميع هذه الصبغات باستخدام أجهزة التحليل الطيفي FTIR، 1H NMR، وUV-Vis. يتوافق طيف الامتصاص المحسوب لـ 1 بشكل جيد مع النتائج التجريبية الأولية. ومن المثير للاهتمام أن إدخال رابط π في النظام 2 يتحول إلى اللون الأزرق بمقدار 54 نانومتر في λmax وزيادة في fos بعامل ≈ 2.1 و Δr بعامل ~ 2 مقارنة بالنظام 1.

Synthesis of Hybrid Organic-Inorganic Polyoxometalates-based Materials for Optoelectronic Applications

ABSTRACT

In this work, a series of new organic-inorganic polyoxometalates-based (POMs) hybrid dyes were designed and synthesized as donor-π bridge-acceptor systems where it can be used as a sensitizer/or co-sensitizers in Dyes Sensitized Solar Cells (DSSCs). Initially, we have theoretically, by using a combination of density functional theory (DFT) and time-dependent density functional theory (TDDFT) calculations, and systematically studied new chromophores in which hexamolybdate Lindqvist-type derivatives electron acceptors are connected via phenylimido groups to organic electron donors such as acrdine-imido-hexamolybdate (1), acrdine-9-phynylactylene-imido-hexamolybdate (2), aminoanthracene-imido-hexamolybdate (3), 2-amino-3-carboxylanthracene-imido-hexamolybdate (4), anthracene-imido-hexamolybdate (5), anthraquinone-imido-Hexamolybdate (6), aminoanthraquinone-imido-hexamolybdate (7), bromophenyl-imido-hexamolybdate (8). The energy levels of frontier molecular orbitals, absorption spectra with electronic transition characters, and photovoltaic parameters of dyes 1-4 were systematically evaluated. It is found that the HOMO energy levels of dyes 1-4 are more negative than the redox of I-/I3- and the LUMO energy levels are higher than the conduction band of TiO2, suggesting that these dyes to match the requirements of n-type DSSCs. The HOMO levels decrease in the order 4 > 3 > 2 > 1, and the LUMO levels also decrease in the order 4 > 3 > 2 > 1. Based on TD-DFT calculations, all systems 1-4 have absorption bands in visible region ranges from 420 to ~494 nm, with relatively high oscillator strengths despite system 4, where 1 (POM-acridine system) has the largest maximum absorption wavelength λmax of 494 nm with fos = 0.8657 and Δr = 3.66 Å. These results confirm the suitability of all the studied dyes for n-type DSSCs. The investigated dyes could be introduced as an active co-absorbent as well as main dye. All dyes showed remarkable reorganization energy for electron transport (λe) and hence increased electron transfer rate. Due to the strong absorption in the visible region, as well as high light harvesting efficiency (LHE), dye regeneration efficiency (DRE), and electron injection efficiency (Φinj), dyes 2 and 3 are the most promising candidates for high performance DSSC materials.
The promising DFT results have motivated us to explore the experimental synthesis of these dyes using DCC coupling protocol. Dyes 1,5,6,7 and 8 were characterized by FTIR, 1H NMR, and UV-Vis. The computed absorption spectrum for 1 is in a good agreement with the preliminary experimental results. Interestingly, introducing π-linker in dye 2 is blue shifted by 54 nm in λmax and an increase in fos by a factor of ≈ 2.1 and Δr by a factor of ~2 compared to dye 1.