Güneş pili uygulamaları için görünür bölgede absorpsiyon yapan yeni organik boyar maddelerin sentezi
Synthesis of novel organic dyes which absorb at visible region for application of dye sensitized solar cells
Yazar: SERPİL TEKOĞLU
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ŞULE ERTEN ELA
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Güneş Enerjisi Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2009
Konu: Enerji = Energy ; Kimya = Chemistry

Özet:
Bu tez, organik boya esaslı güneş pillerinde kullanılabilecek organik yarıiletkenlerin sentez ve karakterizasyonu ile boya sensörlü güneş pillerine yönelik genel bilgileri içermektedir.Yapılan çalışmada, triarilaminlere dayalı donor-köprü-akseptör yapısında asimetrik kromoforların: 4- (Difenilamino) fenil siyanoakrilik asit [ST1], 4- [(3-metilfenil) difenilamino] fenil siyanoakrilik asit [ST2], (2E)- 2- siyano- 3-{4 - [[4- (difenilamino) fenil] (fenil) amino] fenil} akrilik asit [ST3] sentezi ve yapısal analizi gerçekleştirilmiştir. Farklı triarilamin grupları donor grup ve siyanoakrilik asit akseptör uç olarak belirlenmiş ve bu gruplar birbirine vinil köprüsü ile bağlanmıştır. En basit yapıdaki ST1 molekülü diğer türevlerle karşılaştırma yapmak amacıyla sentezlenmiştir. Temel trifenilamin yapısının meta pozisyonundan metil grubu ile (ST2), para pozisyonundan difenilamin (2. donor grup) ile sübstitüye edilmesiyle (ST3) iki yeni boya literatüre kazandırılmıştır. Moleküllerin fotofiziksel ve elektrokimyasal karakterizasyonlarının yanı sıra organik boya esaslı güneş pillerinde uygulanmasına da yer verilmiştir. Bütün türevler güneş spektrumunda görünür bölgede absorpsiyon yapmaktadır ve yüksek molar soğurma katsayılarına sahiptir. Konjugasyonun artmasıyla maksimum absorpsiyon dalga boyu kırmızı bölgeye kayar (batokromik etki) ve absorpsiyon bandı genişler. Elektrokimyasal ölçümlere bakıldığında; donor gruptaki artan elektron yoğunluğunun etkisi ile HOMO-LUMO enerji seviyeleri değişerek band aralığı daralır. En düşük band aralığı ST3 boyasına aittir (2.27 eV). Band aralığının daralmasına bağlı olarak pil verimlerinde de bir artış meydana gelmektedir. ST3 kromoforu gösterdiği %5.04'lük verim (?), 10.07mA/cm2'lik kısa devre foto-akım yoğunluğu (Isc), 0.75V'luk açık devre voltajı (Voc) ve 0.66'lık dolum faktörü (FF) ile en yüksek pil performansına sahiptir. Ayrıca, en yüksek termal kararlılığı yine ST3 boyası göstermektedir (444°C).Sonuç olarak, triarilaminlere dayalı donor-akseptör yapısındaki boyalarda daha güçlü bir elektron aktarımı sağlayacak yapıların donor gruba ilavesiyle molekülün görünür bölgede daha geniş bir alanda absorpsiyon yapması sağlanmış, HOMO-LUMO enerji seviyeleri değiştirilerek band aralığı azaltılmış, termal dayanımı arttırılmıştır. Bu boyaların organik güneş pillerinde uygulanmasıyla elde edilen verimler gelecekteki araştırmalar için ümit vadetmektedir.Anahtar Kelimeler: Organik boya, kromofor, trifenilamin , donor, akseptör, HOMO ve LUMO enerji seviyesi, organik boya esaslı güneş pilleri.

Abstract:
This thesis comprises synthesis and characterization of organic semiconductors for dye sensitized solar cells and an introduction with general concepts of the dye sensitized solar cells.In this work, triarylamine based asymmetrical chromophores with donor-bridge-acceptor system: 4- (Diphenylamino) phenyl cyanoacrylic acide [ST1], 4- [(3-methylphenyl) diphenylamino] phenyl cyanoacrylic acide [ST2], (2E)- 2- cyano- 3-{4 - [[4- (diphenylamino) phenyl] (phenyl) amino] phenyl} acrylic acid [ST3] were synthesized and structural identified. Different triarylamine groups were determined as donor group and cyanoacrylic acide was determined as acceptor end group and these were attached to each other via vinyl bridge. The most basic structure: molecule ST1 was synthesized to compare with other derrivatives. Two novel dyes were brought in literature by attaching methyl group over meta position (ST2) and diphenylamine (2nd donor group) over para position (ST3) to the basic triphenylamine structure. Beside photophysical and electrochemical characterization of molecules , application on dye sensitized solar cells was presented also. All derrivatives make absorption at visible region on solar spectrum and have high molar absorption coefficient. By increasing conjugation, maximum absorption wavelenghts shift to red region (bathochromic effect) and absorption bands broaden. Electrochemical measurements show; while HOMO-LUMO energy levels are altering, band gap becomes narrow with the effect of increased electron intensity on donor group. The smallest band gap is belong to dye ST3 (2.27 eV). Also an enhancement is occured on efficiency of solar cells according as narrowing band gap. ST3 chromophore has the highest cell performance with an efficiency (?) of 5.04%, a short-circuit photocurrent density (Isc) of 10.07 mA/cm2, an open-circuit voltage (Voc) of 0.75 V and a fill factor (FF) of 0.66. Furthermore, dye ST3 shows the highest thermal stability (444°C).Consequently, by attaching strong electron injection groups to donor unit for triarylamine based donor-acceptor structured dyes, wider absorption at visible region was obtained, band gap was reduced by tuning HOMO-LUMO levels, thermal stability was increased. Acquired results from application of these dyes on dye sensitized solar cells show promising for future research.Key Words: Organic dye, choromophore, triphenylamine, donor, acceptor, HOMO and LUMO energy level, dye sensitized solar cell