染料感化された太陽電池の増感剤としての生体に触発されたフラビリア塩に関する実験的および計算研究

6つの新しいバイオに触発されたフラビリア塩塩が合成され、染料が増感した太陽電池用途向けの計算および実験的研究を組み合わせて調査しました。化合物は、FT-IR、UV-VIS、NMR分光法、およびLC-MS分光法技術によって特徴付けられました。フラビリア染料のpH依存性フォトクロミック特性は、UV-VIS分光法研究を通じて調査され、pH変化時にアントシアニンと同じ化学反応のネットワークに従うことが明らかになりました。染料の構造的および電子的特性は、密度汎関数理論（DFT）および時間依存密度官能理論（TD-DFT）を使用して調査されました。ジオメトリの最適化計算により、すべての染料は、スペシ、フラビ皮カチオン、またはキノイド塩基に関係なく、平面形状を示すことが明らかになりました。フラビリアとキノイド塩基形態の両方での色素の太陽光発電性能は、HOMOおよびLUMOエネルギー、および光硬化効率、電子注入の自由エネルギー変化、および自由エネルギー変化再生を計算することによって評価されました。MO分析では、すべての染料が励起時にTiO2の伝導帯に電子を注入し、酸化還元カップルが酸化染料を再生できることが示されました。電子注入の自由エネルギー変化について得られた結果は、キノイド塩基がフラビリア膜よりも効率的に電子を半導体に注入する必要があることを示唆しています。自由エネルギー変化の再生の値は、酸化還元電解質がすべての染料を簡単に再生できることを示しました。双極子モーメント分析も実行されました。フラビリアとキノイド塩基形態の両方の染料に基づくDSSCは組み立てられ、それらの太陽光発電のパフォーマンスは、開回路電圧、短絡電流密度、充填係数、およびエネルギー変換効率を測定することにより評価されました。実験的研究と計算研究の両方で得られた結果は、キノイド型を使用したDSSCの全体的な性能がフラビリア酸カチオン染料で得られたものよりも優れていることを示しました。

Six new bio-inspired flavylium salts were synthesized and investigated by a combined computational and experimental study for dye-sensitized solar cell applications. The compounds were characterized by FT-IR, UV-Vis, NMR spectroscopy, and LC-MS spectrometry techniques. The pH-dependent photochromic properties of the flavylium dyes were investigated through a UV-Vis spectroscopy study and revealed that they follow the same network of chemical reactions as anthocyanins upon pH changes. The structural and electronic properties of the dyes were investigated using density functional theory (DFT) and time-dependent density functional theory (TD-DFT). Geometry optimization calculation revealed that all dyes, regardless of the specie, flavylium cations or quinoidal bases, present a planar geometry. The photovoltaic performances of the dyes, in both flavylium and quinoidal base forms, were evaluated by the HOMO and LUMO energies and by calculating the light-harvesting efficiencies, the free energy change of electron injection, and the free energy change regeneration. The MO analysis showed that all dyes can inject electrons into the conduction band of the TiO2 upon excitation and that the redox couple can regenerate the oxidized dyes. The results obtained for the free energy change of electron injection suggest that the quinoidal bases should inject electrons into the semiconductor more efficiently than the flavylium cations. The values for the free energy change regeneration showed that the redox electrolyte can easily regenerate all dyes. Dipole moment analysis was also performed. DSSCs based on the dyes, in both flavylium and quinoidal base forms, were assembled, and their photovoltaic performances were evaluated by measuring the open-circuit voltage, the short circuit current density, the fill factor, and the energy conversion efficiency. Results obtained by both experimental and computational studies showed that the overall performances of the DSSCs with the quinoidal forms were better than those obtained with the flavylium cations dyes.