Senzitizéry na báze benzotiazolu a tiazol-kondenzovaných heterocyklov pre fotovoltaické aplikácie

Abstrakt: 

Projekt je zameraný na racionálny dizajn a syntézu nových organických senzitizérov na báze benzotiazolu a komplexných zlúčenín ruténia(II) s N-ligandami odvodenými od 2,2'-bis(benzo)tiazolu a štruktúrne príbuzných S,N-heteroaromatických viaccyklických systémov s vnútromolekulovým prenosom náboja. Zlúčeniny s najvhodnejšími vlastnosťami budú vybrané spomedzi navrhovaných derivátov s rôznorodými štruktúrnymi motívmi na základe kvantovo-chemických výpočtov ich absorpčných spektier, HOMO/LUMO energií a prúdových hustôt nakrátko (in silico prescreening), pripravené a charakterizované v našich laboratóriach. Ciele projektu zahŕňajú tiež stanovenie účinnosti (fotoelektrickej konverzie) pripravených senzitizérov v DSSC článkoch s kvázi-tuhým (gélovým) elektrolytom a ich možné uplatnenie v polopriehľadných solárnych oknách.

Odbor: 
materiálová chémia
Vedecká časť: 

Výskum bude primárne zameraný na nasledovné ciele:

1) Kvantovo-chemické štúdium optických vlastností (excitačné energie, tranzitné dipólové momenty) a energií hraničných orbitálov pre sériu navrhovaných senzitizérov na báze čisto organických a koordinačných (prevažne ruténiových) zlúčenín obsahujúcich tiazolové a tiazol-kondenzované heteroaromatické jednotky s rôznymi štruktúrnymi motívmi a substitučnými vzormi.

2) Stanovanie empirických vzťahov medzi štruktúrou a optickou aktivitou (so zameraním sa na štúdium vplyvu regioizomérie a povahy substituentov) a výber najvhodnejších kandidátov pre syntézu.

3) Výpočet absorpčných spektier a teoretických prúdových hustôt nakrátko pre najvhodnejších kandidátov naviazaných na TiO2 a ich konfrontácia s experimentom.

4) Príprava nových, vysokoúčinných čisto-organických senzitizérov na báze benzotiazolu a optimalizácia syntetických postupov s ohľadom na metódy „zelenej“ chémie, výťažky a produkciu v multigramových množstvách.

5) Príprava N-ligandov odvodených od 2,2‘-bis(benzo)tiazolu, 2-(pyridín-2-yl)(benzo)tiazolu, resp. štruktúrne príbuzných S,N-heteroaromatických viaccyklických systémov s vnútromolekulovým prenosom náboja a „kotviacou“ COOH skupinou (výber najvhodnejších sketelov a substitučných vzorov na základe teoretickej štúdie), ich komplexácia s Ru(II) a optimalizácia reakčných podmienok.

6) Spektrálna a elektrochemická charakterizácia pripravených senzitizérov. Stanovenie ich fotochemickej, termickej a oxidačnej stability.

7) Zmeranie voltametrických (J-V) charakteristík a celkovej účinnosti (fotoelektrickej konverzie) v DSSC článkoch s kvázi-tuhým elektrolytom. Aplikácia najúčinnejších farbív pri konštrukcii polopriehľadných fotovoltaických okien.

Súvisiace publikácie:

[1] M. Fakis, P. Hrobárik, O. Yushchenko, I. Sigmundová, M. Koch, A. Rosspeintner, E. Stathatos, E. Vauthey, J. Phys. Chem. C 2014, 118, 28509.
[2] P. Hrobárik, V. Hrobáriková, V. Semak, P. Kasák, E. Rakovský, I. Polyzos, M. Fakis, P. Persephonis, Org. Lett. 2014, 16, 6358.
[3] M. Fakis, P. Hrobárik, E. Stathatos, V. Giannetas, P. Persephonis, Dyes Pigments 2013, 96, 304.
[4] P. Hrobárik, V. Hrobáriková, I. Sigmundová, P. Zahradník, M. Fakis, P. Persephonis, J. Org. Chem. 2011, 76, 8726.
[5] P. Hrobárik, I. Sigmundová, P. Zahradník, P. Kasák, V. Arion, E. Franz, K. Clays, J. Phys. Chem. C 2010, 114, 22289.
[6] V. Hrobáriková, P. Hrobárik, P. Gajdoš, I. Fitilis, M. Fakis, P. Persephonis, P. Zahradník, J. Org. Chem. 2010, 75, 3053.

Socioekonomický a technologický dopad: 

Ide o projekt základného výskumu cieľovo orientovaný na riešenie konkrétnych problémov spoločenskej alebo hospodárskej praxe. V riešení bude súčasťou medzinárodného projektu INCOMERA (www.incomera.eu) so spoluúčasťou zahraničných partnerov, vrátane firmy Brite Solar Technologies (www.britesolar.com). Hlavným prínosom projektu bude zlepšenie optických absorpčných vlastností a fotoelektrickej konverzie organických sensitizérov a ich Ru(II) komplexov, ako aj samotnej technológie výroby solárnych okien, ktoré budú po dopade slnečného žiarenia produkovať elektrickú energiu a budú dostatočne priehľadné pre použitie v obytných a kancelárskych budovách.

Technická časť: 

Turbomole, Gaussian, ADF, ReSpect, Dalton, Dirac, Orca, NWChem, Crystal
Predpokladaný rozsah 300.000 core-hodín.

Prepojenie s grantovými úlohami: 
VEGA 1/0712/18 Senzitizéry na báze benzotiazolu a tiazol-kondenzovaných heterocyklov pre fotovoltaické aplikácie: od počítačového modelovania k syntézam a praktickému využitiu vo farbivom senzibilizovaných solárnych článkoch
Spolufinancovanie: 
3 000.00
Výstupy: 
none