Synthetic Efforts to Investigate Structure-Property Relationships in Dyes for Dye- Sensitized Solar Cells

Abstract

With the backdrop of human-induced global warming in mind, the need for sustainable energy has never been larger. The Intergovernmental Panel on Climate Change presented in their recent assessment report that global warming already has had adverse effects on nature and people beyond natural variability. The release of greenhouse gases from human activity is no longer a problem for the future, the consequences can be felt already today. Sustainable energy sources such as nuclear, hydroelectric, wind, wave, and solar cells technology will have to carry the brunt of the energy production for the future. Putting serious research effort into improving the viability of these technologies will be important in the transition to sustainable energy production. This thesis concerns the development of a solar cell technology, more specifically the dye-sensitized solar cell (DSSC). The dye-sensitized solar cell, a technology that recently turned 30 years since its original report in 1991, has shown great promise for multiple applications. The typical DSSC is comprised of a simple sandwich structure of a photoanode and a counter electrode with a redox shuttle carrying the charge between these. The crucial photoanode is made up of a mesoporous semiconductor material, typically TiO2. The semiconductor is coated by a dye that absorbs light and injects electrons to the semiconductor. Although it is less efficient compared to the conventional silicon solar cell under standard solar illumination, the DSSC still have some unique properties making it a fascinating topic to devote attention to. In recent years, it has been established that the DSSC is the most efficient technology for low light harvesting. This trait means that the DSSC can be used under indoor lighting to power the ever-increasing market of consumer electronic devices and sensors. Another strength associated with the DSSC is the aesthetically pleasing aspect of transparent solar cells and the possibility of deciding the color of the finished device. Dye development is absolutely central to achieving DSSCs with these illustrious properties. The topic of this thesis is precisely this, to develop novel dyes for use in DSSC. The main focus is to use organic synthesis to prepare libraries of dyes and look for successful traits to guide design of future dyes. In Paper I-III, the electronic system of the dyes was scrutinized. The investigation of oligothiophene π-spacers in phenothiazine dyes presented in Paper I revealed that the dye without any π-spacer was the most efficient dye when implemented in a DSSC. The highest photocurrent was produced by the terthiophene linked dye, which laid the foundation for Paper II. The library of terthiophene linked triarylamine dyes found that the fully fused terthiophene dye was the most efficient in a Cu regenerated device. The study on planarizing the triarylamine donor shown in Paper III, highlighted the importance of the geometry on optical and electron transport properties. The conventional phenothiazine motif displayed superior photovoltaic properties over the triarylamine dyes in an iodine regenerated device. The fully planarized double phenoxazine donor with its excellent absorption properties failed to convert them to efficient solar cell performance. In Paper IV and V, the goal was to improve the packing ability of the dyes on the surface of TiO2 with minimal influence on the optoelectronic properties of the compounds. In Paper IV the first account of covalently attaching the common anti-aggregation additive chenodeoxycholic acid (CDCA) to a dye was presented. This modification improved the quality of the dye monolayer on TiO2, and it was established that the optimal ratio of CDCA to dye on the semiconductor surface was larger than one. Hoping to improve the viability of this strategy by employing a simpler blocking unit, in Paper V two ethyladamantyl decorated dyes were considered. Both these dyes displayed improved photovoltages compared to the unmodified reference dye. However, the adamantyl decorated π-spacer displayed deleterious interactions when paired with the anti-aggregation additive CDCA, which led to significantly increased elcectron loss processes.

Samandrag Med menneskeskapt global oppvarming som bakteppe, har behovet for berekraftig energi aldri vore større. FNs klimapanel (IPCC) presenterte i deira nye hovudrapport at global oppvarming allereie har hatt skadelege effektar på natur og menneske forbi naturleg variasjon. Utslepp av drivhusgassar frå menneskeleg aktivitet er ikkje lenger eit problem for framtida, konsekvensane er merkbare allereie no. Berekraftige energikjelder som atom-, vatn-, vind-, og bølgekraft vil i lag med solcelleteknologi måtte stå for mesteparten av energiproduksjonen i framtida. Det vil difor vera viktig å drive omfattande forsking for å auke konkurransedyktigheita til desse teknologiane for å gjennomføre overgangen til berekraftig energiproduksjon. Denne doktorgradsoppgåva omhandlar utviklinga av ein solcelleteknologi, meir spesifikt omhandlar den fargestoffbaserte solceller kalla DSSC. Fargestoffbaserte solceller er ein teknologi som nyleg fylte 30 år sidan den originalt vart introdusert i 1991, og har vist stort potensial for fleire applikasjonar. Den typiske DSSC-strukturen består av ein fotoanode og ein motelektrode som omgir eit redoksmateriale som bær ladninga mellom elektrodane. Fotoanoden består av eit mesoporøst halvleiarmaterial, som oftast TiO2. Dette er dekka med fargestoff som absorberer lys og injiserer elektron til halvleiaren. Sjølv om DSSC-teknologien er mindre effektiv under standard sollys enn konvensjonelle silisium solceller, så er det mange unike eigenskapar knytt til DSSC som gjer den til eit fascinerande forskingsobjekt. I dei siste åra så har det blitt vist at DSSC er den mest effektive teknologien under svak belysing. Denne eigenskapen gjer DSSC til ein ettertrakta energikjelde for den stadig aukande marknaden for forbrukarelektronikk og sensorar. Ein annan styrke assosiert med DSSC er den estetiske faktoren knytt til gjennomsiktige solceller og høvet til å bestemme fargen til den ferdige solcella. Utvikling av nye fargestoff har vore heilt essensielt for å oppnå DSSC med desse strålande eigenskapane. Temaet på denne oppgåva er nettopp det, å utvikle nye fargestoff til bruk i DSSC. Hovudfokuset er å bruke organisk syntese som eit verkty for å framstille samlingar av nye fargestoff. Desse samlingane skal så brukast for å leite etter nyttige trekk som kan styre design av framtidige fargestoff. I Artikkel I-III, vart det elektroniske systemet til fargestoffa granska. Undersøkinga av oligotiofen π-bruer i fenotiazin fargestoff, presentert i Artikkel I, avslørte at fargestoffet utan π-bru var det mest effektive for bruk i DSSC. Den høgaste straumen vart målt frå eit fargestoff med tertiofen π-bru, dette vart grunnlaget for Artikkel II. Samlinga med tertiofen-linka fargestoff viste at den fullstendig samankopla tertiofenen var den mest effektive i ei kopar-regenerert solcelle. Studien på planarisering av triarylamindonoren, vist i Artikkel III, understreka viktigheita av geometrien til fargestoffet både på optiske og elektrontransport eigenskapar. Den konvensjonelle fenotiazin-strukturen utklassa triarylamin-fargestoffa med tanke på effektivitet i ei jod-regenerert solcelle. Den fullstendig planariserte doble fenoxazin donoren viste framifrå absorbsjonseigenskapar, men lukkast ikkje i å konvertere dei til effektiv solcelleytelse. I Artikkel IV og V var målet å forbetre evnen fargestoffa har til å dekke overflata på TiO2, men samstundes påverke dei optoelektroniske eigenskapane til sambindingane minimalt. I Artikkel IV viste me dei fyrste fargestoffa med det vanlege anti-aggregeringstoffet chenodeoxycholic acid (CDCA) kovalent bundne til seg. Denne modifikasjonen forbetra fargestofflaget på TiO2, og det vart vist at det optimale forholdet mellom CDCA og fargestoff på overflata av halvleiaren er større enn ein. Med håp om å forbetra nytteverdien til denne strategien ved å bruke ein enklare blokkeringsmodifikasjon, vart to fargestoff substituert med etyladamantyl testa til dette føremålet i Artikkel V. Begge desse fargestoffa viste forbetra spenning samanlikna med referansefargestoffet utan etyladamantyl. Fargestoffet med adamantyl-substituert π-bru viste øydeleggande interaksjonar då det vart brukt i lag med anti-aggregeringstoffet CDCA, noko som førte til ein auke i elektrontapsprosessar.