Güneş pillerinde fotohassaslaştırıcı olarak kullanılan simetrik olmayan TiO (IV) ftalosiyaninlerin sentezi ve karakterizasyonu

Abstract

Tamamen sentetik ürünler olan ftalosiyaninler, porfirinler ve porfirazinler gibi 18π elektron yapısına sahip olan makro halkalı yapılardır. İlk keşfinden beri ftalosiyaninler, yakıt hücreleri uygulamaları, tıp alanında kanserin fotodinamik terapisi, güneş pillerinde fotosensör, optik bilgisayarların okuma-yazma-algılama diskleri ve lazerli boyama sistemleri gibi birçok alanda kullanılma imkânı bulmuştur. Boya duyarlı güneş pillerinin (DSSC) en önemli bileşenlerinden birisi fotohassaslaştırıcılar olmaktadır. Araştırmacılar, güneş pillerinde yüksek hücre verimliliğine ulaşmak için bu sistemlerde fotohassaslaştırıcı olarak kullanılan boyaların geliştirilmesine odaklanmıştır. Doğal boyalar, metalsiz organik boyalar ve metal kompleksli boyalar olmak üzere bu fotohassaslaştırıcılar üç gruba ayrılmıştır. Rutenyum içerikli kompleks boyalar (N3, N719), sistemdeki kararlılıkları ve yüksek hücre verimi (%12'e kadar) sağlamalarından dolayı en popüler boyalardandır. Ancak, kırmızı ve yakın kızılötesi (NIR) bölgelerinde absorpsiyon yapmamaları, yüksek maliyetleri ve içerdikleri metalin nadirliği bu boyaların dezavantajları olmaktadır. Bu dezavantajlardan dolayı bilim insanları farklı alternatif moleküllere yönelmiştir. Porfirinler ve ftalosiyaninler (Pcs) metal kompleksli boyaların diğer üyeleri olmaktadır. Ftalosiyanin yapılı boyaların 300-700 nm civarında ve yakın kızılötesi (NIR) bölgelerinde absorpsiyon yapma yeteneklerinden dolayı araştırmacılar bu moleküller üzerine odaklanmıştır. Güneş ışınımının mor ötesi/görünür bölge/yakın kızılötesi bölgelerindeki dağılımları sırasıyla 7:45:48 oranında olmaktadır. Bu bağlamda, ftalosiyanin yapılı boyalar görünür bölgeden yakın kızılötesi (NIR) bölgesine kadar geniş bir alandaki fotonları toplama özelliğine sahiptir. Bu çalışmada, 4-(4-ter-bütilfenoksi)ftalonitril (L1) ile 4-(4-karboksifeniletinil)ftalonitril (L2) ve 4-(karboksietinil)ftalonitril (L3) bileşiklerinin doğrudan siklotetramerizasyonu ile A3B tipi simetrik olmayan oksotitanyum (IV) ftalosiyaninler (TiOPc1, TiOPc2) başarıyla sentezlenip literatüre kazandırılmıştır. Sentezlenen ftalosiyaninlerin yapıları FTIR, UV-Vis, 1H-NMR ve MALDI-TOF kütle spektroskopisi teknikleriyle karakterize edilmiştir. Sentezlenen TiOPc1 ve TiOPc2 boyaların güneş simülatörü altında fotovoltaik parametreleri incelenerek hücre verimleri sırasıyla %5,29 ve %5,62 olarak bulunmuştur. Ayrıca, TiOPc1 ve TiOPc2 ftalosiyaninlerin YD2 porfirin ile farklı oranlardaki kokteyl boyaları da hazırlanarak fotovoltaik parametreleri incelenmiştir. 3:1 mol karışım oranındaki YD2:TiOPc1 ve YD2:TiOPc2 kokteyl boyalar ile sırasıyla %11,18 ve %12,28'lik yüksek hücre verimliliğine ulaşılarak N719 rutenyum içerikli kompleks boya için alternatif boyalar oluşturulmuştur.