Природный сенсибилизатор, извлеченный из Mussaenda erythrophylla, для красителя.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 13844 (2023) Цитировать эту статью

165 Доступов

Подробности о метриках

В данном исследовании в качестве фотосенсибилизатора в ДССК использовали природный краситель из цветков Mussaenda erythrophylla, экстрагированный отдельно этанолом и деионизированной водой. Количественный фитохимический анализ проводили для обоих экстрактов. Существование флавоноидов (антоциана) и пигментов хлорофилла а в этанольном экстракте красителя подтверждено методом УФ-видимой спектроскопии. Исследование стабильности, проведенное с указанным этанольным экстрактом, подтвердило, что краситель, экстрагированный этанолом, был стабилен в темноте и не разлагался в течение почти 50 дней. Присутствие молекул красителя и равномерная адсорбция их на поверхности P25-TiO2 были подтверждены методами инфракрасной спектроскопии с Фурье-преобразованием и атомно-силовой микроскопии соответственно. Кроме того, было изучено влияние концентрации красителя и pH на оптические свойства красителя. Природный краситель, экстрагированный этанолом, использовался в DSSC, изготовленных с использованием сенсибилизированных красителем фотоанодов P25-TiO2, \({I}^{-}\)/\({I}_{3}^{-}\) электролит и платиновый противоэлектрод. Фотовольтаические характеристики изготовленных устройств определялись при моделированном облучении интенсивностью 100 мВт/см2 с использованием фильтра АМ 1,5. Устройство, изготовленное с фотоанодом P25-TiO2, сенсибилизированным красителем, экстрагированным этанолом при pH = 5, показало лучший КПД преобразования энергии (КПД) 0,41% при ОО 0,98 мАсм-2, что можно объяснить оптимальным поглощением света в видимую область солнечного спектра молекулами хлорофилла а и антоциана в экстрагированном природном красителе.

Сенсибилизированные красителями солнечные элементы (DSSC) уже много лет привлекают внимание всего мира благодаря низкой себестоимости производства и экологически чистой эксплуатации. Принцип работы DSSC аналогичен фотосинтезу, естественному процессу. Здесь устройство способно генерировать энергию путем преобразования поглощенного солнечного света в электрическую энергию. Обычно DSSC состоит из мезопористого металлооксидного полупроводника, сенсибилизатора красителя, электролита, содержащего иодид- и трииодид-ионы, и противоэлектрода1. В DSSC сенсибилизаторы играют ключевую роль в сборе солнечного света и последующем преобразовании его в электрическую энергию. В качестве сенсибилизаторов синтезированы и использованы многочисленные металлокомплексы и органические красители. Тем не менее, синтетические органические красители на основе рутения оказались эффективными сенсибилизаторами. На сегодняшний день самая высокая эффективность (более 11%) зарегистрирована для DSSC, сенсибилизированных красителем N719 на основе Ru2. Однако способы получения металлокомплексов часто основаны на многостадийных процедурах, включающих утомительные и дорогостоящие процедуры хроматографической очистки3. Ожидается, что замена синтетических органических красителей натуральными пигментами, такими как хлорофилл и антоциан, может решить вышеуказанные ограничения, поскольку их можно легко извлечь из плодов, листьев, корней и цветков растений.

Как правило, многие части растения содержат пигменты хлорофилл и антоцианы. Хлорофилл является наиболее распространенным пигментом в зеленых растениях, и каждая молекула хлорофилла содержит ион Mg2+, окруженный четырьмя пиррольными кольцами, одно из которых связано с фитоловым хвостом4. Молекулы хлорофилла называют фоторецепторами из-за их способности поглощать свет. Существует два типа хлорофилла, а именно хлорофилл а и хлорофилл b, которые различаются по своей структуре в положении С3 одного из пиррольных колец. Положение С3 указанного пиррольного кольца в хлорофилле b содержит формильную (–CHO) боковую цепь, тогда как в хлорофилле a5 в том же положении присутствует метильная (–CH3) группа. Благодаря наличию разных заместителей молекулы хлорофилла а и хлорофилла b проявляют различные свойства светопоглощения. Следовательно, хлорофилл поглощает свет в широком диапазоне длин волн, соответствующем синей, красной и фиолетовой областям видимого спектра6. Антоциан – еще один пигмент, отвечающий за разнообразие окраски лепестков цветов и фруктов. Использование антоциана в качестве красителя для DSSC приводит к поглощению света в сине-зеленой области солнечного спектра7, а карбонильные и гидроксильные группы, присутствующие в молекулах антоциана, демонстрируют эффективное прикрепление к поверхности TiO2 (фотоэлектроду), что обеспечивает эффективный механизм инжекции электронов в ДССК8.