Diseño, síntesis y estudio de nuevos sistemas push-pull para su aplicación en dispositivos solares

Pérez Tejada, Raquel
Franco Ontaneda, Santiago (dir.) ; Andreu Solano, Raquel (dir.)

Universidad de Zaragoza, 2016

Abstract: Existen diferentes tecnologías solares que incorporan materiales orgánicos en su estructura, entre las que destacan las celdas sensibilizadas por un colorante (DSSC). Este tipo de dispositivo está basado en un sensibilizador o colorante anclado a un material semiconductor. El colorante es el responsable de la captación de los fotones en estas celdas. Por lo tanto, la optimización de su estructura es clave para obtener altas eficiencias de conversión de luz solar en energía eléctrica. Entre las diferentes estructuras moleculares existentes, los sensibilizadores orgánicos más eficaces se basan en sistemas Dador-pi-Aceptor (D-pi-A).Dichos sistemas están formados por una unidad con tendencia a donar electrones (dador) y una parte atractora (aceptor), unidos entre sí mediante un espaciador conjugado, favoreciendo el proceso de transferencia de carga intramolecular fotoinducida (TCI). En estos sistemas D-pi-A, también llamados “push-pull”, pequeñas variaciones en las diferentes partes de la molécula (en su mayoría en el dador o en el espaciador) pueden traducirse en cambios significativos en las propiedades fotovoltaicas. Esta Tesis Doctoral se centra en el diseño, síntesis y estudio de nuevas moléculas de tipo D-pi-A para su aplicación en celdas solares sensibilizadas por colorante. El trabajo está dividido en dos bloques. En el primero de ellos (Capítulo 3), se han preparado compuestos “push-pull” para su implementación en dispositivos fotovoltaicos que emplean como mediador redox un electrolito líquido basado en el par I-/I3- (DSSCs líquidas). Se han estudiado diversas modificaciones tanto en el dador como en el espaciador de la estructura D-pi-A y su influencia en las propiedades fotovoltaicas. En el primer apartado del Capítulo 3 se ha estudiado cómo influye la introducción de sustituyentes tanto en la unidad dadora (4H-piranilideno) como en el espaciador (anillo de tiofeno). Se ha confirmado que tanto la inclusión de grupos voluminosos en el dador, como cadenas alquílicas en el espaciador, evitan por un lado los fenómenos de agregación y por otro los de recombinación de cargas, aumentando la eficiencia de los dispositivos. En el segundo apartado del capítulo se ha estudiado cómo afecta el carácter electrónico del espaciador en las propiedades fotovoltaicas. Para ello se han sintetizado dos series de moléculas en las que la única variación es el heterociclo, manteniendo invariables tanto el dador (4H-piranilideno) como el aceptor (ácido cianoacético). El heterociclo más eficiente ha resultado ser el anillo de tiofeno, seguido del de tiazol con orientación mismatched, furano, tiazol matched y pirrol. De las dos posibles orientaciones del tiazol, el compuesto mismached presenta una eficiencia más de dos veces superior a su equivalente con disposición matched. En el último apartado del Capítulo 3, se han incorporado diferentes derivados de trialquilsililéteres en el espaciador de cinco sistemas D-pi-A. Se pretende determinar cómo afecta la inclusión de un sustituyente voluminoso, así como el tamaño y la posición del mismo dentro del anillo heterocíclico, en la respuesta fotovoltaica. Se ha observado que la inclusión de un sustituyente voluminoso en el espaciador mejora las propiedades fotovoltaicas de las moléculas. Se ha comprobado que cuanto más grande es el sustituyente, más altos son los valores de eficiencia obtenidos. Adicionalmente, al analizar la posición del grupo sililéter dentro del ciclo, los mejores resultados se obtienen cuando este se sitúa más cerca del dador de la molécula. En el segundo bloque del trabajo (Capítulo 4), se ha analizado la influencia del grupo de anclaje en los sistemas D-pi-A. Este estudio se ha realizado en dispositivos DSSC con electrolito sólido, empleando como transportador de huecos la molécula de espiro-OMeTAD. Se han sintetizado nuevas moléculas derivadas de 4H-piranilideno, que incorporan en la unidad aceptora un fosfonato y se han comparado con sus análogos derivados de ácido carboxílico, con el objetivo de determinar la efectividad de los derivados de fósforo para actuar como grupo de anclaje en DSSCs. Se ha demostrado la eficacia de los fosfonatos para actuar como grupo de anclaje en DSSC sólidas, con eficiencias similares a las obtenidas para sus análogos con ácido carboxílico, en contraposición a lo observado en la bibliografía para DSSCs líquidas, donde los compuestos derivados de fósforo suelen ser menos eficientes.

Abstract (other lang.): New D--A compounds for their application as sensitizers in Dye Sensitized Solar Cells (DSSC) have been synthesized, characterized and studied. The relationship between the molecular structure of the dye and the photovoltaic response of the cell has been evaluated. In general, the donor moiety employed during the work has been the proaromatic 4H-pyranylidene ring, except in two cases where it has been switched by a TPA or a 1,3 dithiole unit. In Chapter 3, the donor and the spacer of the D-π-A systems have been modified. These new molecules were tested as sensitizers in liquid Dye Sensitized Solar Cells. The conclusions we achieved are the followings: - The 4H-pyranylidene ring is able to generate active systems for its use in DSSC. Furthermore, it has been observed that the inclusion of bulky substituents like tert-butyl groups instead of phenyl groups in the donor unit (4H-pyranylidene) or alkyl chains in the heterocyclic spacer (thiophene) results in an improvement of the photovoltaic response. However, the inclusion of both modifications at the same time does not improve the response. - Secondly, we have demonstrated that the device performance is clearly influenced by the nature of the heterocyclic spacer. Best results are obtained with the molecules that include a thiophene ring in their structure. The efficiency decrease in this order: thiophene > thiazole mismatched > furan > thiazole matched > pyrrole. - Finally, it has been shown for the first time that the incorporation of a trialkylsilyl ether in the thiophene ring increases the efficiency of the final device. Moreover, the position and the size of the silyl ether group are crucial, reaching a better response when the bulkier substituent is located closer to the donor unit. In Chapter 4, the study has been focused on the acceptor of D-π-A systems. Molecules with a phosphonate group as the anchoring moiety instead of a carboxylic acid have been synthesized, and the compounds tested in solid state Dye Sensitized Solar Cells (ss-DSSC). The conclusions reached are presented below: - It has been demonstrated that the phosphonate group is an interesting alternative to other common acceptor groups in DSSCs. The compounds with this anchoring group have shown similar efficiencies to the equivalent bearing a carboxylic acid as acceptor. These results achieved in solid state DSSC are in contrast to those observed in the literature for liquid DSSCs, where phosphorus derivatives are often less efficient.

Pal. clave: química orgánica ; energía solar ; síntesis química ; propiedades ópticas de materiales ; organic chemistry ; solar energy ; chemical synthesis ; optical properties of materials

Knowledge area: Química orgánica

Department: Química Orgánica

Nota: Presentado: 09 02 2016

Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, Química Orgánica, 2016