Derivados del ácido hidroxicinámico para UV

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 3235 (2023) Citar este artículo

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Los tintes naturalmente abundantes son muy atractivos para el desarrollo de células solares sensibilizadas por tinte (DSSC). Los derivados del ácido hidroxicinámico, como el ácido cafeico (CA), el ácido ferúlico (FA) y el ácido p-cumárico (PA), se consideraron para la recolección selectiva de fotones ultravioleta A (UVA) (315–400 nm). Sus propiedades espectroscópicas y electroquímicas se investigaron tanto teórica como experimentalmente. Además, se adoptaron con éxito como fotosensibilizadores en DSSC visiblemente transparentes y selectivos para UV, que exhibieron una eficiencia de conversión de energía de 0,22–0,38 % bajo iluminación AM (masa de aire) 1,5G (global) (100 mW/cm2) y 3,40–3,62 % bajo radiación UVA (365 nm, 115,22 mW/cm2), con una transmitancia de luz visible (VLT) correspondiente de 49,07–43,72 % y un índice general de reproducción cromática (Ra) de 93–90.

A medida que la población urbana mundial crece rápidamente, el consumo de energía en las ciudades se ha convertido en una de las principales causas del cambio climático. La integración de las energías renovables en las ciudades puede proporcionar una transición hacia entornos urbanos más verdes. Es importante destacar que los edificios y la construcción representaron el 36 % de la demanda mundial de energía y el 37 % de las emisiones de dióxido de carbono (CO2) relacionadas con la energía en 20201. Para mitigar este consumo de energía, se introdujo el concepto de edificio de energía cero (ZEB), donde la energía generada in situ es igual o superior a la energía entregada desde las redes de suministro. La implementación de ZEB se ha vuelto obligatoria para la nueva construcción residencial y comercial2, y una forma prometedora de lograrlo es la energía fotovoltaica integrada en edificios (BIPV), en la que los módulos fotovoltaicos se montan en las envolventes de los edificios.

A lo largo de los años, los avances en las tecnologías de acristalamiento asociadas con la arquitectura de edificios modernos han llevado al desarrollo de sistemas de revestimiento de vidrio, como muros cortina, muros de ventanas y sistemas clave de envolvente de edificios. Aunque el uso extensivo de los sistemas de revestimiento de vidrio es responsable de las cargas de refrigeración en verano y las cargas de calefacción en invierno, las cortinas fotovoltaicas (PV) y las paredes de las ventanas son cruciales para la tecnología de acristalamiento de próxima generación. Desafortunadamente, el desafío actual asociado con el acristalamiento fotovoltaico es una compensación inherente entre la transmisión y la eficiencia de conversión de energía (PCE) porque las células solares convencionales absorben la luz visible para producir electricidad. Recientemente, han surgido tecnologías de longitud de onda selectiva; estas tecnologías utilizan materiales excitónicos que absorben selectivamente la luz ultravioleta (UV)3,4,5,6 o la luz infrarroja cercana (NIR)7,8,9,10,11 y se anticipa que dichos PV de longitud de onda selectiva superarán las limitaciones de los semi- PVs transparentes y coloreados para aplicaciones BIPV.

Entre las tecnologías fotovoltaicas emergentes, las células solares sensibilizadas por colorante (DSSC) son especialmente favorables para lograr una alta transparencia en la región de la luz visible debido a la absorción selectiva de longitud de onda de los fotosensibilizadores y al uso de sustratos de óxido conductor ópticamente transparentes12,13,14,15, dieciséis. Los fotosensibilizadores sintéticos son costosos y nocivos para el medio ambiente y, por lo tanto, se deben considerar colorantes abundantes de forma natural para reemplazar los costosos procesos de síntesis química con procesos de extracción simples. Hasta la fecha, se han utilizado tintes disponibles de forma natural, como antocianina, betalaínas, flavonoides, carotenoides y clorofila, para fabricar DSSC17,18,19 y se pueden encontrar resultados representativos en las Referencias 18 y 19. La mayoría de los tintes naturales muestran una absorción de 400 a 700 nm en el régimen de luz visible. Por ejemplo, las antocianinas exhiben una alta absorción en longitudes de onda largas (p. ej., 580–700 nm). Las betacianinas y las betaxantinas se absorben en el rango de 400 a 600 nm. La clorofila absorbe todas las longitudes de onda de la luz visible excepto la verde. Desafortunadamente, los tintes naturales, que recolectan selectivamente fotones UV, no se han investigado mucho en las aplicaciones sensibilizadas con tintes. En este estudio, presentamos los ácidos hidroxicinámicos (HCA) a la tecnología selectiva de longitud de onda como posibles fotosensibilizadores que absorben los rayos UV. Los HCA poseen una columna vertebral química que comprende nueve átomos de carbono (C6–C3) y son el principal subgrupo de ácidos fenólicos con distribución ubicua en el reino vegetal20. Los HCA, como el ácido cafeico (CA), el ácido ferúlico (FA) y el ácido p-cumárico (PA), son compuestos fenólicos naturales que se encuentran abundantemente en las hojas de té, el café, las frutas, las verduras y los cereales integrales21,22. Curiosamente, tienen una estructura específica en la que un grupo carboxilo está separado de un anillo aromático por un doble enlace, formando un sistema de electrones π. Teórica y experimentalmente, se sabe que exhiben una fuerte absorbancia en la región UV (220–400 nm)20,23,24,25. Por lo tanto, investigamos la eficacia de los HCA para recolectar fotones UV y demostramos DSSC visiblemente transparentes y selectivos de UV.

Se realizaron cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT) y la teoría funcional de la densidad dependiente del tiempo (TDDFT) para obtener información sobre las estructuras estructurales, electrónicas y las propiedades ópticas de CA, FA y PA antes y después de unirse al grupo de TiO2. La Figura 1 muestra las geometrías optimizadas y los orbitales moleculares de frontera (FMO) de los complejos HCA y HCA-TiO2, respectivamente. En las estructuras optimizadas, el doble enlace (–C=C–) une el anillo aromático con el ácido carboxílico (–COOH), por lo que todos los compuestos presentan una estructura completamente plana. Los FMO proporcionan información valiosa para predecir las propiedades ópticas y electrónicas de las moléculas. Todos los complejos HCA y HCA-TiO2 exhibieron distribuciones espaciales FMO similares. La presencia de dos dipolos eléctricos opuestos, a saber. –C=C– y grupos carboxilo, perturbaron el sistema de electrones π en los HCA, y los electrones de los HCA libres se distribuyeron por toda la molécula con la mayor contribución del anillo aromático en el orbital molecular ocupado más alto (HOMO) y los niveles más bajos de orbitales moleculares desocupados (LUMO). A diferencia de los HCA libres, los electrones de los complejos HCA-TiO2 estaban completamente concentrados en TiO2 al nivel LUMO. Esto indica que los electrones excitados podrían inyectarse fácilmente en TiO2 a través de la unidad carboxílica.

Estructuras optimizadas y orbitales moleculares de frontera (FMO) de colorantes aislados (CA, FA, PA) y complejos colorante-(TiO2)9.

La Figura 2a, b muestra los espectros UV-visible simulados y experimentales de los HCA, respectivamente. Se observaron picos de absorción prominentes de HCA puros, disueltos en EtOH a una concentración de 5 × 10–4 M, en la región UVA (315–400 nm). El pico máximo de absorbancia se debe a la transición dominante de HOMO a LUMO, que se puede atribuir a la transición π–π* del resto aromático26. Los coeficientes de extinción molar de PA, FA y CA fueron 2969,06, 2189,18 y 1381,74 M−1 cm−1, respectivamente, y las correspondientes bandas prohibidas determinadas ópticamente fueron 4,26, 4,07 y 4,09 eV. Curiosamente, el espectro de PA difiere de los de FA y CA porque la principal banda de absorción corresponde al anillo aromático con menos sustituciones20, lo que resulta en un cambio hipsocrómico y una alta intensidad de pico. Estas diferencias pueden ser racionalizadas por la sustitución en para de los anillos aromáticos en FA y CA, lo que disminuiría la conjugación entre el grupo carboxilo y el anillo27. Las figuras 2c, d muestran espectros UV-visible simulados y experimentales de complejos HCA-TiO2, respectivamente. El ensanchamiento y el corrimiento hacia el rojo de los picos después de unirse al TiO2 se debe al acoplamiento electrónico entre el grupo carboxilo y el TiO2, y esto da como resultado energías LUMO reducidas. Curiosamente, CA exhibió una absorción más amplia y fuerte en el régimen de luz visible que PA y FA. Esto puede deberse a una excitación de transferencia de carga directa desde el nivel de catecol π hasta la parte inferior de la banda de conducción de TiO228 porque CA tiene grupos de catecol y ácido carboxílico que son anclas de colorante comunes en DSSC29. Además, la fuerza de la interacción entre la molécula de colorante y el grupo de TiO2 (es decir, la energía de adsorción) se calculó y resumió en la Tabla S1. Un valor negativo grande indica una transferencia de carga más eficiente desde el colorante a la banda de conducción de TiO2.

Espectros UV-visible calculados de (a) HCA y (c) complejos HCA-TiO2 y espectros UV-visible experimentales de (b) HCA y (d) películas mesoporosas de TiO2 injertadas con HCA.

La Figura 3a muestra las energías orbitales moleculares calculadas de los niveles HOMO y LUMO de los complejos HCA y HCA-TiO2. La diferencia estructural tuvo una influencia sustancial en los niveles de HOMO en lugar de LUMO. La quelación bidentada dio como resultado la estabilización de LUMO y, por lo tanto, una disminución en la brecha de energía HOMO-LUMO. Las energías HOMO calculadas fueron más bajas que el potencial redox de \({I}^{-}/{I}_{3}^{-}\) (− 4.80 eV)30, lo que asegura que los tintes oxidados puedan recuperar el electrones de los iones de yoduro y regenerarse. Las energías LUMO calculadas fueron más altas que las de la banda de conducción (CB) de TiO2 (−4,00 eV)30, lo que indica que los tintes en estado excitado pueden inyectar fácilmente electrones en el TiO2 CB. Se utilizó voltamperometría cíclica (CV) para determinar las características electroquímicas y los niveles de energía HOMO-LUMO de todos los compuestos, y sus gráficas de CV se muestran en la Fig. 3b. Los niveles de HOMO se calcularon a partir de los primeros potenciales de oxidación (Eox) de los colorantes, mientras que los niveles de LUMO se obtuvieron a partir de la diferencia entre Eox y las energías de transición de excitación (E0−0). La Tabla 1 enumera las propiedades fotofísicas y electroquímicas de los HCA. Mostró que el anillo aromático con más sustituciones en CA y FA condujo a una reducción de la energía de la brecha HOMO-LUMO debido a la estabilización de los niveles de energía HOMO y LUMO.

(a) Niveles de energía calculados de los derivados de HCA (PA, FA, CA) y complejos de TiO2 injertados con HCA y (b) voltamogramas cíclicos de los tintes sintetizados en EtOH (1 mM) a una velocidad de exploración de 100 mV s−1. El par ferroceno/ferrocenio (Fc/Fc+) se utilizó como referencia externa (Recuadro).

El rendimiento fotovoltaico se investigó bajo dos fuentes de luz diferentes, a saber. Luz simulada AM 1.5G (100 mW/cm2) y LED UV (365 nm, 115 mW/cm2), como se muestra en la Fig. 4a,b, respectivamente. Los parámetros fotovoltaicos se enumeran en la Tabla 2. La radiación ultravioleta es aproximadamente el 5 % de la radiación solar terrestre y, por lo tanto, las DSSC sensibilizadas con HCA exhiben bajas PCE bajo la iluminación de un sol. Sin embargo, los HCA pueden recolectar fotones UV y, por lo tanto, permitir la producción de electricidad bajo irradiación UVA monocromática. Cabe señalar que la celda con solo TiO2 y un par redox de yoduro/triyoduro podría producir electricidad bajo iluminación UVA. Esto indica que TiO2 absorbió fotones de la radiación UVA y generó electrones libres para la operación DSSC. La Tabla S2 resume los parámetros fotovoltaicos en función de la intensidad de los rayos UVA. A medida que aumentaba la intensidad, el voltaje de circuito abierto (Voc) se estabilizaba y la densidad de corriente de cortocircuito (Jsc) aumentaba constantemente, pero el PCE alcanzaba un pico. Entre los parámetros, Jsc está fuertemente correlacionado con la eficiencia de captación de luz (LHE), que depende del coeficiente de extinción de la molécula. Se obtiene integrando el producto de la densidad de flujo de fotones incidentes y la eficiencia cuántica externa (EQE) de la celda en todo el rango de longitud de onda. El rendimiento de los DSSC también se midió después de un período de envejecimiento a temperatura ambiente y en circuito abierto (Fig. S1), y los parámetros fotovoltaicos a 1 sol y UVA se resumen en las Tablas S3 y S4, respectivamente. Durante 10 días, las celdas de CA (solo TiO2) selladas con selladores termoplásticos Surlyn®, que tenían cierta permeabilidad al oxígeno y la humedad31, perdieron un 24 % (55 %) con 1 sol y un 16 % (40 %) con UVA, respectivamente. La Figura 4c muestra los espectros EQE de las DSSC sensibilizadas con HCA. El aumento significativo en Jsc de la célula CA en relación con las células FA y PA se puede atribuir a su capacidad para recoger más fotones en las regiones UVA y visible. Sin embargo, las células FA y PA absorbieron selectivamente la luz UVA y, por lo tanto, podrían ser más visiblemente transparentes que la célula CA. Además, se llevó a cabo un análisis EIS para investigar los procesos de transferencia de carga interfacial en el DSSC. Los diagramas de Nyquist de los DSSC en condiciones de iluminación estándar (AM 1.5G, 100 mW/cm2) se muestran en la Fig. 4d. Los dos semicírculos que indican los comportamientos de transferencia de carga en las regiones de frecuencia intermedia y alta se pueden atribuir a la transferencia de electrones en la interfase TiO2/colorante/electrolito y a la transferencia de carga electroquímica en la interfase Pt/electrolito, respectivamente. Los semicírculos grandes en la región de frecuencia intermedia implican la gran resistencia de transferencia de carga (Rtr) bajo la iluminación de un sol. Esto concuerda con el rendimiento fotovoltaico observado anteriormente. Las mediciones de EIS también se repitieron para examinar la estabilidad electroquímica de los DSSC fabricados y envejecidos a temperatura ambiente (Fig. S2). El semicírculo en la región de frecuencia intermedia se hizo más grande durante 10 días y, por lo tanto, la degradación del rendimiento se relacionó con la interfaz TiO2/colorante/electrolito.

Características de JV bajo (a) iluminación de un sol (AM 1.5G, 100 mW/cm2) y (b) radiación UVA (365 nm, 115 mW/cm2), (c) EQE de DSSC sensibilizadas con CA, FA y PA , ( d ) Gráficos de Nyquist de DSSC bajo iluminación de un sol.

Para realizar celdas solares visiblemente transparentes e incoloras, debemos considerar una compensación inherente entre PCE y la transmisión de luz visible (VLT), donde VLT se acerca al 100 % cuando PCE se acerca a cero. Generalmente, el ojo humano es sensible a la luz entre 400 nm (violeta) y 700 nm (roja); así, la transparencia del dispositivo (\({\uptau }_{\mathrm{v}}\)) debe ser evaluada por el método estándar ISO (ISO 9050:2003) y la integración del espectro de transmitancia contra la visión fotópica humana, usando la siguiente Ecuación32:

donde \(\uptau \left(\uplambda \right)\), \({\mathrm{D}}_{\uplambda }\), \(\mathrm{V}\left(\uplambda \right)\) , y \(\Delta\uplambda\) son la transmitancia espectral del dispositivo, la distribución espectral relativa del iluminante D65, la función de luminosidad espectral CIE para la visión fotópica y el intervalo de longitud de onda, respectivamente. Las Figuras 5a,b muestran los espectros de transmitancia de las películas de TiO2 injertadas con HCA y las DSSC sensibilizadas con HCA. Los valores de VLT calculados se presentan en la Tabla 3. Las películas y las células mostraron una baja transmitancia en longitudes de onda inferiores a 400 nm. Su transmitancia aumentó rápidamente en la región visible y alcanzó el 80% de las películas y el 50% de las células en longitudes de onda superiores a 550 nm. Estos resultados confirman que los HCA se pueden usar para fotovoltaicos transparentes (TPV) selectivos de UV. Desafortunadamente, la disminución de la transmitancia después del ensamblaje de la celda está relacionada con las pérdidas de transmisión debidas al electrocatalizador basado en Pt y al electrolito de yoduro33. En particular, el electrolito redox \({I}^{-}/{I}_{3}^{-}\) absorbe muchos fotones en el rango de longitud de onda de 300 a 500 nm.

Fotografías y espectros de transmitancia de (a) películas injertadas con tinte y (b) DSSC.

Para el análisis de color, el espectro de la luz transmitida a través de la muestra (S(λ)) se calculó usando el espectro de transmitancia T(λ) y el espectro I(λ) de AM 1.5G (fuente de luz), usando la fórmula, S(λ ) = T(λ)I(λ). De acuerdo con la recomendación CIE34,35, el espectro transmitido S(λ) se utilizó para calcular los valores triestímulo CIE como

donde \(\overline{x }\left(\uplambda \right)\), \(\overline{y }\left(\uplambda \right)\), y \(\overline{z }\left(\uplambda \right)\) son las funciones de coincidencia de color del observador estándar CIE 1931. Las coordenadas de cromaticidad CIE 1931 (x, y) se definen como:

Aunque la cromaticidad CIE 1931 es la más utilizada para la especificación colorimétrica, el espacio de color es perceptiblemente no uniforme36,37. Por lo tanto, la escala de cromaticidad uniforme CIE 1976 se construyó convirtiendo matemáticamente las coordenadas de cromaticidad x, y en u′, v′ como:

En la Fig. 6, las coordenadas de color de la luz transmitida se trazan en el diagrama de cromaticidad CIE 1931 (x, y) y CIE 1976 (u′, v′). Las coordenadas de la luz AM 1.5G también se incluyeron como referencias. La cromaticidad CIE 1976 es perceptualmente uniforme y, por lo tanto, es más adecuada para estimar la magnitud de la diferencia de color entre las células.

Coordenadas de color de (a) películas fotoanódicas (solo TiO2, CA, FA, PA y N719) y (b) sus células solares trazadas en CIE 1931 (x, y) y CIE 1976 (u′, v′) diagrama de cromaticidad. AM 1.5G también se incluye como fuente de luz de referencia.

A continuación, se utilizó el sistema de colorimetría CIE para calcular dos cifras de mérito para describir las cualidades de color de la luz transmitida: temperatura de color correlacionada (CCT) y diferencia de color. CCT es una medida de la apariencia del color de la luz, definida como la temperatura de un radiador de cuerpo negro cuyo punto de cromaticidad es el más cercano al punto de cromaticidad de la luz. Una CCT baja (menos de 3500 K) corresponde a una luz anaranjada, mientras que una CCT alta (mayor de 5500 K) corresponde a una luz azulada38. A continuación, se calculó la diferencia de cromaticidad con respecto a la fuente de luz original (AM 1,5G) para caracterizar cómo cambiaba la luz a medida que se transmitía a través de la muestra. En la cromaticidad CIE 1976 (u′, v′), se calculó la distancia euclidiana (Δu′v′) entre las coordenadas de cromaticidad de la luz transmitida y la luz AM 1.5G (u′ = 0.2062, v′ = 0.4783). La Tabla 4 enumera las coordenadas de cromaticidad (x, y), (u′, v′), CCT y diferencia de color (Δu′v′) de la luz transmitida.

En el caso de las películas, los CCT de las celdas CA y FA fueron 4615 K y 4724 K, respectivamente, que fueron relativamente similares a los de la celda de solo TiO2 (4825 K). Por el contrario, los CCT de las células PA y N719 fueron bajos, a 4229 K y 4116 K, respectivamente. En cuanto a la diferencia de color, la desviación de la fuente de luz original fue menor para FA (0,0160) y aumentó en el orden de CA (0,0192), N719 (0,0252) y PA (0,0299). Cuando se fabricaron como dispositivos, las celdas CA, FA y PA mostraron CCT similares y diferencias de color que oscilaron entre 3729 y 3970 K y entre 0,0432 y 0,0469, respectivamente. Curiosamente, las CCT y las diferencias de color de las células HCA fueron comparables a las de la célula solo TiO2, que tenían valores de 4063 K y 0,0400, respectivamente. La celda N719, por otro lado, exhibió un CCT más bajo (3148 K) y un cambio de color más grande (0.0663) de la fuente de luz original, transmitiendo una luz anaranjada.

Aunque la luz que penetra a través de las DSSC sensibilizadas con HCA es incolora, comparable a la celda de solo TiO2, también se debe informar el índice de reproducción cromática (CRI) para comprender mejor la calidad del color. A diferencia de las cifras de mérito informadas anteriormente, el CRI no considera el color de la luz transmitida en sí. Más bien, describe la apariencia del color de los objetos iluminados por luz transmitida. El CRI de una luz es la medida completa de su capacidad para reproducir los colores de los objetos utilizando 15 muestras de color de prueba (TSC01 a TSC15)39. Se obtiene comparando la reproducción cromática de la luz transmitida con la de un cuerpo negro de referencia con la misma temperatura de color. El CRI general (Ra, promedio de R1 a R8) se calculó promediando las puntuaciones de las primeras ocho muestras de color. Estas ocho muestras (TSC01 a TSC08) corresponden a colores pastel y no saturados. R9–R15 son CRI especiales de colores de piel rojo, amarillo, verde, azul, tono de piel, verde oliva y asiático, respectivamente. La Tabla 5 enumera el CRI general (Ra) y los CRI especiales (R9–R15) de la luz que penetra a través de las películas y los dispositivos. La Figura 7 compara las coordenadas de color de las primeras ocho muestras de color (TSC01 a TSC08) iluminadas por la luz transmitida de los dispositivos y el cuerpo negro de referencia. Las direcciones de cambio de color se trazaron en la tabla de colores CIELAB.

Coordenadas de color de las ocho muestras de color de prueba (TSC01 a TSC08) iluminadas por la luz transmitida a través de las celdas HCA (CA, FA y PA) y la celda N719 (puntos blancos) y el cuerpo negro de referencia (puntos negros).

Cuanto mayor sea el CRI, mejor será la fuente de luz para reproducir los colores con precisión. Un CRI de 100 representa el mejor rendimiento de una luz, mientras que un valor de CRI bajo puede hacer que los colores de algunos objetos se vean poco naturales y apagados. Las fuentes de luz con un CRI superior a 85 se consideran buenas para la reproducción del color40. Un valor alto de CRI es especialmente crítico para aplicaciones y entornos sensibles al color donde la apariencia visual y la precisión del color son importantes para las empresas. En general, las DSSC sensibilizadas con HCA (CA, FA y PA) y la celda N719 exhibieron una excelente capacidad de reproducción cromática. En términos de Ra, las celdas FA y N719 mostraron capacidades de reproducción ligeramente inferiores para las muestras de color TSC03, TSC04, TSC07 y TSC08 en comparación con las celdas CA y PA (consulte la Fig. 7). Las coordenadas de color iluminadas por la celda de solo TiO2 también se proporcionan en la Fig. S3, lo que confirma que no hay una diferencia notable en el rendimiento de Ra entre las celdas HCA (CA, FA y PA) y la celda de solo TiO2. Entre los CRI especiales, R9 y R12 mostraron valores bajos para las celdas HCA (CA, FA y PA) y la celda N719. R9 y R12 corresponden a la capacidad de una fuente de luz para mostrar objetos rojos y azules saturados, respectivamente. Por lo tanto, el uso de DSSC sensibilizados con HCA y células N719 en galerías de arte o museos, donde prevalecen los tonos rojos y azules, requiere cierta precaución. En particular, la luz transmitida desde las células FA, PA y N719 se volvió roja pobremente, con un oscurecimiento notable (R9 ≤ 75). Por lo tanto, no se recomienda el uso de estas células en áreas médicas, donde es fundamental reproducir con precisión los colores de los tejidos y la sangre.

Investigamos las propiedades espectroscópicas, electroquímicas y colorimétricas de los derivados del ácido hidroxicinámico, que absorben selectivamente la luz UVA, y verificamos su uso como fotosensibilizadores para DSSC incoloros y selectivos de UV. Los DSSC exhibieron un PCE de 0,22–0,38 % bajo iluminación AM 1,5G (100 mW/cm2) y 3,40–3,62 % bajo UVA (365 nm, 115,22 mW/cm2), con un VLT correspondiente de 49,07–43,72 % y Ra de 93–90. Los derivados comercialmente disponibles del ácido hidroxicinámico son candidatos prometedores para su aplicación en el desarrollo de células solares visiblemente transparentes y selectivas en longitud de onda. Actualmente estamos fabricando DSSC de bajo costo y de gran área con HCA para ventanas fotovoltaicas y explorando la co-sensibilización de tintes absorbentes de UV y NIR con espectros de absorción complementarios para DSSC pancromáticas.

Los cálculos teóricos de tres ácidos hidroxicinámicos (ácido cafeico, ácido ferúlico y ácido p-cumárico) se realizaron utilizando el paquete de software Gaussian 0941. Para los cálculos DFT, las estructuras optimizadas del estado fundamental de las moléculas individuales y el TiO2 ligado a la molécula se obtuvieron en el nivel B3LYP42 con la base 6-31G(d,p) establecida para los átomos de C, H, O y N y el LANL2DZ conjunto de bases para el átomo de Ti43. Para los cálculos de TDDFT, las energías de excitación electrónica vertical y las fuerzas del oscilador para las 20 transiciones más bajas en las estructuras optimizadas del estado fundamental se calcularon utilizando el conjunto de base funcional CAM-B3LYP y 6–311 + + G(d,p)44. El efecto de solvatación (etanol, ε = 24,852) se consideró tanto para el estado fundamental como para el excitado utilizando el método de campo de reacción autoconsistente (SCRF) basado en el modelo continuo polarizable de Tomasi (PCM)45.

El ácido cafeico (CA), el ácido ferúlico (FA), el ácido p-cumárico (PA) y otros reactivos se adquirieron de Merck y se usaron sin purificación adicional.

Las propiedades fotofísicas y electroquímicas de los compuestos absorbentes de UV se determinaron de acuerdo con nuestros protocolos anteriores6. Los espectros de absorbancia y transmitancia UV-visible se registraron utilizando un espectrofotómetro UV-2600 240 V EN (Shimazu, Japón). CV se llevó a cabo a una velocidad de exploración de 100 mV/s utilizando un potenciostato/galvanostato B22104 (CompactStat.e, Ivium Tech., Países Bajos). Se utilizó una celda de tres electrodos que consiste en un electrodo de trabajo de disco de Pt, un contraelectrodo de alambre de Pt y un electrodo de referencia Ag/Ag+. Se utilizó un par ferroceno/ferrocenio (Fc/Fc+) como referencia externa. Las soluciones se prepararon utilizando EtOH seco que contenía perclorato de tetrabutilamonio (TBAP) 0,1 M como electrolito de soporte. Las soluciones se purgaron con gas nitrógeno (N2) durante 15 min antes de registrar los datos electroquímicos.

Nuestros procedimientos de fabricación de DSSC fueron motivados por los informes anteriores12,13,14,15. Los sustratos de vidrio de óxido de estaño dopado con flúor (FTO) transparentes y conductores (TEC 7, Pilkington, 2,2 mm de espesor, resistencia de lámina = 8 Ω/sq) se limpiaron secuencialmente con acetona, 2-propanol y agua desionizada, y luego se hornearon en una placa caliente a 150 °C durante 10 min. Los sustratos conductores se pretrataron con una solución acuosa de TiCl4 (40 mM) a 75 °C durante 30 min, se enjuagaron varias veces con agua desionizada y se secaron bajo un flujo de gas N2. La pasta de TiO2 (Solaronix, Ti-Nanoxide T/SP) se serigrafió sobre el sustrato de vidrio y el área final del fotoánodo de TiO2 fue de 0,25 cm2. Las películas serigrafiadas se sinterizaron a 300 °C durante 30 min y luego de forma continua a 575 °C durante 1 h en un horno de mufla (KSL-1100X, MTI Corporation, EE. UU.). Después de enfriar a temperatura ambiente (~ 20 °C) y tratar el plasma de O2, los fotoánodos de TiO2 se sumergieron en la solución acuosa de TiCl4 (40 mM) a 75 °C durante 30 min, se enjuagaron con agua desionizada y luego se calentaron a 550 °C. durante 30 min en una placa caliente. Luego, los fotoánodos se sumergieron en una solución de EtOH de CA, FA y PA, que contenía colorante 0,5 M, respectivamente, durante 24 h. La concentración de tinte y el tiempo de inmersión se optimizaron para el rendimiento fotovoltaico (Fig. S4). Se perforaron dos orificios en otros vidrios FTO para preparar los contraelectrodos (CE). También se limpiaron ultrasónicamente con acetona, 2-propanol y agua desionizada y luego se hornearon a 150 °C durante 10 min. Una solución de ácido cloroplatínico (H2PtCl6) en 2-propanol se revistió por rotación sobre los sustratos conductores, seguido de reducción térmica a 425 °C durante 1 hora en el horno de mufla. Para las DSSC, el fotoánodo con injerto de colorante y Pt CE se ensamblaron con una película termoplástica de 25 µm de espesor (Surlyn™, Solaronix, Suiza) y luego se sellaron mediante calentamiento. Se inyectó un electrolito líquido a base de yoduro (AN-50, Solaronix, Suiza) a través de los orificios pretaladrados, que luego se sellaron con una película termoplástica de 60 µm de espesor (Surlyn™, Solaronix, Suiza) y una cubierta de vidrio. Se fabricaron cinco DSSC de cada tinte para mediciones fotovoltaicas y pruebas de estabilidad.

El rendimiento fotovoltaico de los DSSC se evaluó de acuerdo con nuestros protocolos anteriores6. Los parámetros fotovoltaicos se evaluaron utilizando un sistema de medición I-V de celda solar (K3000 LAB, McScience, Korea) en condiciones de iluminación estándar (AM 1.5G, 100 mW/cm2) y LED UV de 365 nm (MK3005P, TNE Tech Co., Ltd, Corea). Se registró la eficiencia cuántica externa (EQE) para evaluar la respuesta espectral de los DSSC utilizando un sistema de prueba EQE de células solares (K3100, McScience, Corea). Las mediciones de espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) se llevaron a cabo utilizando un analizador de respuesta de frecuencia (CompactStat.h, Ivium Tech, Países Bajos). Se aplicó un potencial de CA sinusoidal modulado con una amplitud de 10 mV en un rango de frecuencia de 0,1 Hz a 500 kHz, con un potencial de polarización cero. Los espectros registrados en la oscuridad y bajo la iluminación de un sol se analizaron usando un modelo de circuito equivalente apropiado construido en un software complejo de regresión de mínimos cuadrados no lineales (ZView®, Scribner Associates Inc., EE. UU.). La prueba de estabilidad se realizó mediante mediciones fotovoltaicas y EIS repetidas después del envejecimiento.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado y su archivo de información complementaria.

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Descargar referencias

Esta investigación fue apoyada por una subvención del Programa de Investigación de Ciencias Básicas a través de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF) financiada por el Ministerio de Ciencia y TIC (MSIT) del Gobierno de Corea (NRF-2021R1A2C2011893), el Instituto de Tecnología Energética de Corea Subvención de Evaluación y Planificación (KETEP) financiada por el Ministerio de Comercio, Industria y Energía (MTIE) de Corea (No. 20193020010440), y por la Subvención de Becas de Investigación de la Universidad Chung-Ang en 2020.

Departamento de Química, Universidad Chung-Ang, 84 Heukseok-ro, Dongjak-gu, Seúl, 06975, República de Corea

Arum Dista Wulansari, Dini Hayati y Jongin Hong

Departamento de Ciudades Inteligentes, Universidad Chung-Ang, 84 Heukseok-ro, Dongjak-gu, Seúl, 06974, República de Corea

Dang Xuan Long y Jongin Hong

Departamento de Diseño de Arquitectura Interior, Universidad de Hanyang, 222 Wangsimni-ro, Seongdong-gu, Seúl, 04763, República de Corea

kyungah choi

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Correspondencia a Kyungah Choi o Jongin Hong.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Wulansari, AD, Hayati, D., Long, DX et al. Derivados del ácido hidroxicinámico para células solares sensibles a los colorantes visiblemente transparentes y selectivas para UV. Informe científico 13, 3235 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-022-17236-6

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Recibido: 13 febrero 2022

Aceptado: 22 de julio de 2022

Publicado: 24 febrero 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-17236-6

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