Güneş pillerinde fotohassaslaştırıcı olarak kullanılan simetrik olmayan TiO (IV) ftalosiyaninlerin sentezi ve karakterizasyonu
The synthesis and characterization of unsymmetrical TiO (IV) phthalocyanines used as photosensitizer in solar cells
Yazar: ÖMÜRCAN ÖZTÜRK
Danışman: DOÇ. DR. ALTUĞ MERT SEVİM
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Kimya Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Ftalosiyaninler = Phthalocyanines ; Güneş pilleri = Solar cells

Özet:
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.

Abstract:
Phthalocyanines, which are completely synthetic compounds, have 18π electron and macrocyclic structure like porphyrins and porphyrazines. Since its discovery, phthalocyanine has been used in many areas such as fuel cell applications, photodynamic therapy (PDT) in the field of medicine, photosensor in solar cells, optic disks and laser-dyeing systems.
Photosensitizers are important components for dye-sensitized solar cells (DSSC). In order to reach high energy efficiency in solar cells, researchers have focused on developing dyes used as photosensitizers in these systems. Photosensitizers are separated into three groups. These are natural dyes, metal-free organic dyes and metal complex dyes. Ruthenium complex dyes (N3, N719) are popular dyes because of their stability in system and providing high energy efficiency (∼12%). However, ruthenium complex dyes have some disadvantages such as the absence of absorption in red and near-infrared (NIR) areas, high cost and the rarity of metal component. Because of these disadvantages, scientists have started to find new alternative molecules. Porphyrins and phthalocyanines (Pcs) are other members of metal complex dyes. Researchers have focused on phthalocyanines because of their unique absorption ability that is both 300-700 nm and near-infrared (NIR) areas. The distribution of solar radiation at ultraviolet/visible/near-infrared (NIR) areas is respectively 7:45:48 and in this context, phthalocyanine-based dyes have high ability to absorb photons which are in broad spectrum from visible area to near-infrared (NIR) area.
In this study, A3B-type unsymmetrical oxotitanium (IV) phthalocyanines (TiOPc1, TiOPc2) were successfully synthesized with the direct cyclotetramerization reaction of 4-(4-tert-butylphenoxy)phthalonitrile (L1) with 4-(4-carboxyphenylethynyl)phthalonitrile (L2) and 4-(carboxyethynyl)phthalonitrile (L3). The structures of synthesized phthalocyanines were characterized with spectroscopic techniques such as FTIR, UV-Vis, 1H-NMR and MALDI-TOF MS. The photovoltaic parameters of TiOPc1 and TiOPc2 dyes were analyzed under solar simulation and energy efficiencies were respectively found as 5,29% and 5,62%. Also, the cocktail dyes of YD2 porphyrin and synthesized phthalocyanines in different ratios were prepared and their photovoltaic parameters were analyzed. It was found that the energy efficiencies of 3:1 mole ratio of YD2:TiOPc1 and YD2:TiOPc2 cocktail dyes were respectively 11,18% and 12,28%. Therefore, these cocktail dyes can be alternative for N719 ruthenium complex dye.