Synthesis and Characterisation of 3,8-Substituted 10H-Phenothiazine Dyes for Use in Dye-Sensitised Solar Cells

Abstract

Ettersom verdens energibehov fortsetter å vokse, og de forferdelige konsekvensene av global oppvarming kan føles over hele verden, trengs det nye grønne og fornybare energikilder. Fargestoffbaserte solceller (Dye-sensitised solar cells, DSSC) er et billig, lett, fleksibelt, semitransparent alternativ hvis farge kan endres, som kan komplementere dagens standard silisiumbaserte solceller. Effektiviteten deres er i dag lavere enn den til silisiumbaserte solceller, men i motsetning til silisiumhalvledernes indre grense for effektivitet, ligger fargestoffenes effektivitetsgrense i designet, som kan endres.

Fenotiaziner er en velkjent gruppe fargestoffer som brukes i DSSC-er, men til tross for hvor populære de er, følger de fleste fargestoffene samme substitusjonsmal uten å gå for mye utenfor denne. De fleste fargestoffer følger 3,7-substitusjonsmønsteret. Denne oppgaven har som mål å undersøke syntesen av 3,8-substituerte fenotiazin-baserte fargestoffer, og sammenlikne denne typen med tilsvarende 3,7-substituerte fargestoffer. Hypotesen er at den mer lineære geometrien til fargestoffet vil øke mengden fargestoff som adsorberes i DSSC-en, og på den måten øke effektiviteten.

I dette prosjektet ble to nye 3,8-substituerte fargestoffer med en alkyl-antiaggregeringshale syntetisert i en 5-stegs lineær synteserute, med totalt utbytte på 5–9 %. Disse nye fargestoffene ble vurdert opp mot fire andre fargestoffer som tidligere er blitt syntetisert i gruppen. Dette gav til sammen tre par av 3,7- og 3,8-substituerte fargestoffer. Til tross for at solcellene laget med de 3,8-substituerte fargestoffene hadde en høyere mengde adsorbert fargestoff, var de ikke mer effektive enn de 3,7-substituerte fargestoffene.

En rute for syntese av andre 3,8-substituerte fargestoffer med en aryl-antiaggregeringshale ble studert, men mislyktes på grunn av manglende kontroll på regioselektivitet og utfordrende opprensing.

As the world's energy needs continue to grow, and the dire effects of global warming can be felt all around the world, new green and renewable energy sources are needed. Dye-sensitised solar cells (DSSCs) are a cheap, light-weight, flexible, semi-transparent alternative of tuneable colour that can complement today's standard silicon-based solar cells. Today, their efficiency is lower than that of silicon-based cells, but in contrast to the silicon-semiconductor with intrinsic limits on power conversion, the dyes' limits lie in their design, which can be altered.

Phenothiazines are well-known class of dyes for use in DSSCs, but despite their popularity, most dyes follow the same template of substition with little deviation. Most dyes are of the 3,7-substitution pattern. This work aims to investigate the synthesis of 3,8-substituted phenothiazine-based dyes, and to compare dyes of this type with their 3,7-substituted analogues. The hypothesis is that the more linear geometry of the dye molecule will allow for a higher loading of dye in the DSSC, and thus increase the efficiency of the DSSC.

In this project, two novel dyes of the 3,8-substitution pattern with an alkyl anti-aggregation moiety were synthesised in a 5-step linear synthesis with overall yields of 5–9%. These novel dyes were assessed on a range of characteristics alongside four dyes previously synthesised in the group, giving three pairs of 3,7- and 3,8 substituted dyes. While the 3,8-substituted dyes did give a higher dye-loading, they did not show an overall increase in performance vs. the 3,7-substituted dyes.

A route for synthesis of other 3,8-substituted dyes with aryl anti-aggregation units was studied, but failed due to lack of control of regioselectivity and challenging purifications.