Çoklu anchor grup olarak 1,10-fenantrolin bileşiklerinin sentezi ve boya duyarlı güneş hücresi üretimi
Synthesis of 1,10-phenanthroline derivative compound as a multiple anchor group and dye-sensitive solar cell production
Yazar: BUSE ÖZSAN
Danışman: PROF. DR. İBRAHİM ERDEN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Anorganik Kimya Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Enerji = Energy ; Kimya = Chemistry
Dizin: Güneş enerjisi = Solar energy ; Güneş pilleri = Solar cells

Özet:
Işığa duyarlı bir organik molekülün yarı iletken titanyum dioksit (TiO2) ile etkileşimini inceleyen fotovoltaik hücreler olan boya duyarlı güneş pilleri (DSSC'ler) fikri ilk olarak Brian O'Regan ve Michael Grätzel tarafından ortaya atıldı. DSSC'ler, son birkaç yılda güç dönüşüm verimliliğinin (PCE) hızla artması ve seri üretimin kolaylaşması nedeniyle güneş enerjisini elektriğe dönüştürmede yaygın olarak kullanılmaya başlandı. Duyarlaştırıcı olarak kullanılan moleküllerdeki konjuge köprü grupları aracılığıyla donör gruptan ankor (çapa) grubuna etkili molekül içi yük aktarımı (ICT) özelliklerinin sağlanmasının, güneş pilinde yüksek güç dönüşüm değerlerinin (PCE) elde edilmesinde önemli olduğu bilinmektedir. 
Bu çalışmada, üretilen DSSC cihazlarında PCE'yi artırmak amacıyla kararlı çoklu ankor (çapa) yapısına sahip yarı iletken (TiO2) üzerine elektron transferini sağlayacak yeni bir molekül tasarlanmıştır. Duyarlaştırıcı üzerindeki donör yapıdan gelen elektronlar köprü imidazol grubu aracılığıyla ankor gruba yönlendirildi. 
Tasarlanan molekülde donör grup üzerinden tek yönden gelen elektronların çoklu ankor grubu olarak 1,10-fenantrolin içeren bir yapı aracılığıyla yarı iletken yüzeye sunulmasıyla güneş pilinin PCE değerinin artırılması amaçlandı.
1,10-Fenantrolinin ankor grup olarak yer aldığı B1 ve B3 bileşikleri tasarlandı. Bu bileşiklerin kuantum kimyasal teorik hesaplamaları Yoğunluk Fonksiyonel Teorisi (DFT) yöntemi ile gerçekleştirildi. Bileşiklerin bant aralığı enerjisi azaldıkça elektronların HOMO-LUMO enerji düzeyleri arasındaki hareketi kolaylaşır ve üretilen DSSC'lerde bant aralığı enerjisi düşük olan bileşiğin PCE değerlerinin daha yüksek olması beklenir. Hesaplanan bant boşluk enerji değerlerine göre bant boşluk enerjisi B1 bileşiğinden daha düşük olan B3 bileşiğinin sentezi gerçekleştirildi.  1,10-fenantrolinin nitrolanması ve ardından aminlenmesi ile 5,6-diamino-1,10-fenantrolin (DAF) bileşiği elde edildi. DAF bileşiği duyarlaştırıcımızın yapısında ankor grup olarak yer aldı. İlk olarak TFA'nın bromlama reaksiyonu ile Tris(4-bromo fenil) amin bileşiği elde edildi. Bu bileşiğin 4-formilfenil boronik asit ile cross coupling reaksiyonu sonucunda A3 bileşiği elde edildi. Son olarak DAF ile A3 bileşiği uygun çözücü, azot atmosferi ve geri soğutucu altında kaynatıldı. Reaksiyon sonucu imidazol halkasının oluşmasıyla DSSC cihazlarında duyarlaştırıcı olarak kullanılan B3 bileşiğinin sentezi gerçekleştirildi. Saf olarak elde edilen bileşiğin yapısal karakterizasyonu FTIR, 1H-NMR, Q-TOF ve UV-Vis spektrumları alınarak gerçekleştirildi. Yarı iletken titanyum dioksit'in (TiO2) bant boşluğunu değiştirerek hücre verimini artırmak amacıyla, yarı iletken farklı oranlarda altın ile katkılandırıldı. Üretilen DSSC cihazlarının Akım-Voltaj (I-V) değerleri güneş simülatörü altında ölçüldü. DSSC cihazında yer alan parametrelerinin optimizasyonu ile yüksek PCE değerine sahip cihazların üretimi hedeflendi.

Abstract:
The idea of dye-sensitized solar cells (DSSCs), which are photovoltaic cells that examine the interaction of a light-sensitive organic molecule with semiconductor titanium dioxide (TiO2), was first put forward by Brian O'Regan and Michael Grätzel. DSSCs have become widely used in converting solar energy into electricity due to the rapid increase in power conversion efficiency (PCE) and easy mass production in the last few years. It is known that providing effective intramolecular charge transfer (ICT) properties from the donor group to the anchor group through the conjugated bridge groups in the molecules used as sensitizers is important in achieving high power conversion values (PCE) in the solar cell. 
In this study, a new molecule design was made to ensure electron transfer onto the semiconductor (TiO2) with a stable multi-anchor structure in order to increase the PCE in the produced DSSC devices. Electrons from the donor structure on the sensitizer were directed to the anchor group via the bridge imidazole group. In the designed molecule, it was aimed to increase the PCE value of the solar cell by presenting electrons coming from a single direction through the donor group to the semiconductor surface through a structure containing 1,10-phenanthroline as a multiple anchor group.
B1 and B3 compounds were designed, with 1,10-Phenanthroline as the anchor group. Quantum chemical theoretical calculations of these compounds were performed using the Density Functional Theory (DFT) method. As the band gap energy of the compounds decreases, the movement of electrons between HOMO-LUMO energy levels becomes easier and it is expected that the PCE values of the compound with lower band gap energy will be higher in the DSSCs produced. According to the calculated band gap energy values, compound B3, whose band gap energy is lower than compound B1, was synthesized. By nitration and amination of 1,10-phenanthroline, 5,6 diamino-1,10-phenanthroline (DAF) was synthesized. The DAF compound was included as the anchor group in the structure of our sensitizer. First, Tris(4-bromo phenyl) amine compound was obtained by bromination of TFA. As a result of the cross coupling reaction of this compound with 4-formyl phenylboronic acid, we obtained compound A3. Finally, the synthesis of the B3 compound, which is used as a sensitizer, with the formation of imidazole ring as a result of the reaction of 5,6-diamino-1,10-phenanthroline and A3 molecules, was carried out in suitable solvent (anhydrous) and reaction conditions. Structural characterization of the sensitizers was performed by taking FTIR, 1H-NMR, Q-TOF and UV-Vis spectra. In order to increase cell efficiency by changing the band gap of semiconductor titanium dioxide (TiO2), different amounts of gold were doped into the semiconductor. Photovoltaic performances of the produced solar cell devices were carried out under the Solar Simulator. DSSC devices with high PCE values were achieved by Current-Voltage (I-V) measurement.