| dc.description.abstract | Kombinasjonen av et økende globalt energibehov og raske negative endringer i klimaet, gjør at det haster å erstatte fossilt brensel med fornybare energikilder. De siste tiårene har investeringer i solcelleteknologi økt kraftig, mye på grunn av den rikelige tilgangen på solenergi og at installering av solceller ikke krever store inngrep i naturen. Potensialet i å høste solenergi er stort, men utfordringen er å gjøre solcelle-teknologien mer effektiv, tilgjengelig, kostnadsbesparende og miljøvennlig. Den mest utbredte solcelle-teknologien i dag lages med halvledere av krystallinsk silisium.
En solcelleteknologi som blir forsket på er «Dye sensitized solar cells» (DSSCs). I disse solcellene høster et fargestoff solenergien og injiserer elektroner i halvlederen. De positive egenskapene til «DSSCs» er at de kan produseres i en kostnadseffektiv prosess og implementeres i bygningsstruktur og arkitektur på andre måter enn kommersielle solceller. De har også god effektivitet under svake lysforhold sammenlignet med andre solcelle-teknologier.
Fargestoffet i en «DSSC» kan være et organisk molekyl, og i denne oppgaven ble ett nytt organisk fargestoff (VME-F1) syntetisert etter totalt ni synteser. Under syntesen av VME-F1 ble fire andre nye forbindelser syntetisert og karakterisert. En av de nye forbindelsene var et biprodukt som ble dannet under «TMS/iodine exchange» reaksjonen. Denne reaksjonen var den mest utfordrende. Dette var på grunn av dannelsen av biprodukter som var vanskelig å isolere fra det ønskede produktet. Målet med denne reaksjonen var å bytte TMS-gruppen med jod og bruke produktet i en Suzuki kryss-kobling. Under reaksjonen ble silisium-karbonbindingen brutt av i omtrent 30% av utgangsstoffet. På grunn av utfordringene ved denne reaksjonen ble utgangsstoffet brukt opp og måtte lages av "3,7-dibromo-10H-phenothiazine" igjen.
Andre reaksjonstyper som ble brukt inkluderer acylering, hydrolyse med natriumhydroksid, Williamson eter syntese og Knoevenagel kondensasjon. Et verktøy som ofte brukes til å syntetisere fargestoffer til bruk i «DSSCs» er palladium-katalyserte koblingsreaksjoner. Dette ble brukt i fire av ni synteser. Totalt utbytte av ni reaksjoner var 5%. Dette ble mest påvirket av utbyttene i «TMS /iodine exchange» reaksjonen (best: 29%) og den siste Suzuki kryss-koblingen (best: 44%). De andre reaksjonene ble oppnådd minst én gang med et utbytte på >80%.
«DSSC» innretninger ble fabrikkert og testet med tre forskjellige organiske fargestoffer - VME-F1 syntetisert av forfatteren og EAS-P2 og EAS-T2 syntetisert av tidligere masterstudent E.A. Strømsodd. Det nye fargestoffet VME-F1 ga en ikke veldig imponerende PCE på 2,38%, testet under standard testbetingelser. Fotofysiske egenskaper fra UV-vis og fluorescensspektroskopi ble også innhentet. Resultatene kan forhåpentlig hjelpe utviklingen av fremtidige fargestoffer. | |
| dc.description.abstract | Due to the combination of increasing global energy demands and rapidly declining changes in the climate, there is an urgent need for replacing fossil fuels with renewable energy sources. Over the last decade, photovoltaics (PVs) have gained significant interest and investments, largely due to the extensive availability of sunlight as a source of energy and that the installation of PVs don´t require massive interventions in nature. The potential of harvesting energy from sunlight is enormous, but the challenge is to make PV technologies more efficient, available and environmentally friendly. The most widespread PV technology today is made with semiconductors of crystalline silicon.
One PV technology continuously being researched is dye sensitized solar cells (DSSCs). In these solar cells the sensitizer (dye) harvests the energy and injects electrons into the conduction band. The benefits of DSSCs are that they can be produced in a low-cost process, are easily implemented in building structure and architecture in other ways than commercial solar cells, and they have good efficiencies under low-light conditions compared to other PV technologies.
The dye in a DSSC can be an organic molecule, and in this thesis one new organic dye (VME-F1) was synthesised after a total of 9 synthetic steps. During the synthesis of VME-F1, four other new compounds were synthesized and fully characterized. One of the new compounds was the by-product made during the TMS/iodine exchange reaction. This reaction was the most challenging due to the formation of by-products, which were difficult to isolate from the desired product. The aim of this reaction was to exchange the TMS group with iodine and use the product in a Suzuki cross-coupling. During the reaction, a cleavage of the silicon-carbon bond occurred with 30% of the substrate. Due to the challenges of this reaction, all the substrate was used and had to be made from 3,7-dibromo-10H-phenothiazine once more.
Other reaction types which were used include acylation, hydrolysis with sodium hydroxide, Williamson ether synthesis and Knoevenagel condensation. Palladium catalysed coupling reactions, a tool frequently used to synthesise organic dyes for use in dye sensitized solar cells, were used in 4 of 9 synthetic steps. A total yield of all the 9 reactions was 5%, which was mostly affected by the yields of the TMS/iodine reaction (best: 29%) and the last Suzuki cross-coupling (best: 44%). The other reactions were all achieved with yields of >80%.
Three different DSSCs were fabricated and tested with organic dyes - VME-F1 synthesised by the author and EAS-P2 and EAS-T2 synthesised by former masterstudent E.A. Strømsodd. The new dye VME-F1 yielded a PCE of 2.38% tested under 1 sun AM 1.5 G illumination, which is relatively low compared to what is achieved today with organic dyes in DSSCs. The low PCE is believed to mostly be due to bad electronic communication through the nitrogen atom on phenothiazine. Photophysical properties from UV-vis and fluorescence spectroscopy were also obtained, and the results of the DSSC characteristic can hopefully aid the development of future dye designs. | |