Dérivés de l'acide hydroxycinnamique pour les UV

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 3235 (2023) Citer cet article

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Les colorants naturellement abondants sont très attractifs pour le développement de cellules solaires à colorant (DSSC). Les dérivés de l'acide hydroxycinnamique, tels que l'acide caféique (CA), l'acide férulique (FA) et l'acide p-coumarique (PA), ont été pris en compte pour la récolte sélective des photons ultraviolets A (UVA) (315–400 nm). Leurs propriétés spectroscopiques et électrochimiques ont été étudiées à la fois théoriquement et expérimentalement. Ils ont ensuite été adoptés avec succès comme photosensibilisateurs dans des DSSC sélectifs pour les UV et visiblement transparents, qui présentaient une efficacité de conversion de puissance de 0,22 à 0,38 % sous un éclairage AM (masse d'air) 1,5G (global) (100 mW/cm2) et de 3,40 à 3,62 % sous irradiation UVA (365 nm, 115,22 mW/cm2), avec une transmission de la lumière visible (VLT) correspondante de 4 9,07–43,72% et un indice général de rendu des couleurs (Ra) de 93–90.

Alors que la population urbaine mondiale augmente rapidement, la consommation d'énergie dans les villes est devenue une cause majeure du changement climatique. L'intégration des énergies renouvelables dans les villes peut permettre une transition vers des environnements urbains plus verts. Il est important de noter que les bâtiments et la construction représentaient 36 % de la demande énergétique mondiale et 37 % des émissions de dioxyde de carbone (CO2) liées à l'énergie en 20201. Pour atténuer cette consommation d'énergie, le concept de bâtiment à énergie zéro (ZEB) a été introduit, où l'énergie générée sur site est égale ou supérieure à l'énergie fournie par les réseaux d'approvisionnement. La mise en œuvre du ZEB est devenue obligatoire pour les nouvelles constructions résidentielles et commerciales2, et une voie prometteuse pour y parvenir est le photovoltaïque intégré au bâtiment (BIPV), dans lequel des modules photovoltaïques sont montés sur les enveloppes du bâtiment.

Au fil des ans, les progrès des technologies de vitrage associés à l'architecture des bâtiments modernes ont conduit au développement de systèmes de revêtement en verre, tels que des murs-rideaux, des murs de fenêtres et des systèmes d'enveloppe de bâtiment clés. Bien que l'utilisation intensive de systèmes de revêtement en verre soit responsable des charges de refroidissement en été et des charges de chauffage en hiver, les rideaux et les murs vitrés photovoltaïques (PV) sont cruciaux pour la technologie de vitrage de nouvelle génération. Malheureusement, le défi actuel associé au vitrage photovoltaïque est un compromis inhérent entre la transmission et l'efficacité de conversion de puissance (PCE), car les cellules solaires conventionnelles absorbent la lumière visible pour produire de l'électricité. Récemment, des technologies sélectives en longueur d'onde sont apparues; ces technologies utilisent des matériaux excitoniques qui absorbent sélectivement la lumière ultraviolette (UV)3,4,5,6 ou proche infrarouge (NIR)7,8,9,10,11 et ces PV sélectifs en longueur d'onde devraient surmonter les limites des PV semi-transparents et colorés pour les applications BIPV.

Parmi les technologies photovoltaïques émergentes, les cellules solaires à colorant (DSSC) sont particulièrement favorables pour obtenir une transparence élevée dans la région de la lumière visible en raison de l'absorption sélective en longueur d'onde des photosensibilisateurs et de l'utilisation de substrats d'oxyde conducteurs optiquement transparents12,13,14,15,16. Les photosensibilisateurs synthétiques sont chers et peu respectueux de l'environnement, et donc des colorants naturellement abondants doivent être envisagés pour remplacer les processus de synthèse chimique coûteux par des processus d'extraction simples. À ce jour, des colorants naturellement disponibles, tels que les anthocyanes, les bétalaïnes, les flavonoïdes, les caroténoïdes et la chlorophylle, ont été utilisés pour fabriquer des DSSC17,18,19 et des résultats représentatifs peuvent être trouvés dans les références 18 et 19. La plupart des colorants naturels présentent une absorption de 400 à 700 nm dans le régime de lumière visible. Par exemple, les anthocyanes présentent une absorption élevée aux grandes longueurs d'onde (par exemple 580–700 nm). Les bêtacyanines et les bétaxanthines absorbent dans la plage de 400 à 600 nm. La chlorophylle absorbe toutes les longueurs d'onde de la lumière visible sauf le vert. Malheureusement, les colorants naturels, qui récoltent sélectivement les photons UV, n'ont pas été beaucoup étudiés dans les applications sensibilisées aux colorants. Dans cette étude, nous introduisons les acides hydroxycinnamiques (HCA) dans la technologie sélective en longueur d'onde en tant que photosensibilisateurs potentiels absorbant les UV. Les HCA possèdent un squelette chimique composé de neuf atomes de carbone (C6-C3) et constituent le principal sous-groupe d'acides phénoliques avec une distribution omniprésente dans le règne végétal20. Les HCA, tels que l'acide caféique (CA), l'acide férulique (FA) et l'acide p-coumarique (PA), sont des composés phénoliques naturels que l'on trouve en abondance dans les feuilles de thé, le café, les fruits, les légumes et les grains entiers21,22. Fait intéressant, ils ont une structure spécifique dans laquelle un groupe carboxyle est séparé d'un cycle aromatique par une double liaison, formant un système d'électrons π. Théoriquement et expérimentalement, ils sont connus pour présenter une forte absorbance dans la région UV (220–400 nm)20,23,24,25. Par conséquent, nous avons étudié l'efficacité des HCA pour la récolte de photons UV et démontré des DSSC sélectives aux UV et visiblement transparentes.

Des calculs de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) et de la théorie fonctionnelle de la densité dépendante du temps (TDDFT) ont été effectués pour mieux comprendre les structures structurelles, électroniques et les propriétés optiques de CA, FA et PA avant et après la liaison au cluster de TiO2. La figure 1 montre les géométries optimisées et les orbitales moléculaires frontières (FMO) des complexes HCA et HCA-TiO2, respectivement. Dans les structures optimisées, la double liaison (–C=C–) relie le cycle aromatique à l'acide carboxylique (–COOH), et ainsi, tous les composés présentent une structure complètement plane. Les FMO fournissent des informations précieuses pour prédire les propriétés optiques et électroniques des molécules. Tous les complexes HCA et HCA-TiO2 présentaient des distributions spatiales FMO similaires. La présence de deux dipôles électriques opposés, à savoir. -C = C- et les groupes carboxyle, ont perturbé le système d'électrons π dans les HCA, et les électrons des HCA libres étaient répartis sur toute la molécule avec la plus grande contribution du cycle aromatique à l'orbitale moléculaire occupée la plus élevée (HOMO) et aux niveaux de l'orbitale moléculaire inoccupée la plus basse (LUMO). Contrairement aux HCA libres, les électrons des complexes HCA-TiO2 étaient entièrement concentrés sur TiO2 au niveau LUMO. Cela indique que les électrons excités pourraient être facilement injectés dans TiO2 via l'unité carboxylique.

Structures optimisées et orbitales moléculaires frontières (FMO) de colorants isolés (CA, FA, PA) et de complexes colorant-(TiO2)9.

Les figures 2a, b montrent les spectres UV-visible simulés et expérimentaux des HCA, respectivement. Des pics d'absorption proéminents de HCA purs, dissous dans EtOH à une concentration de 5 × 10–4 M, ont été observés dans la région UVA (315–400 nm). Le pic d'absorbance maximal est dû à la transition dominante de HOMO à LUMO, qui peut être attribuée à la transition π–π* de la fraction aromatique26. Les coefficients d'extinction molaire de PA, FA et CA étaient de 2969,06, 2189,18 et 1381,74 M−1 cm−1, respectivement, et les bandes interdites correspondantes déterminées optiquement étaient de 4,26, 4,07 et 4,09 eV. Fait intéressant, le spectre de PA différait de ceux de FA et CA car la bande d'absorption principale correspond au cycle aromatique avec moins de substitutions20, ce qui entraîne un décalage hypsochrome et une intensité de pic élevée. Ces différences peuvent être rationalisées par la substitution en para des cycles aromatiques dans FA et CA, ce qui diminuerait la conjugaison entre le groupe carboxyle et le cycle27. Les figures 2c, d montrent les spectres UV-visible simulés et expérimentaux des complexes HCA-TiO2, respectivement. L'élargissement et le décalage vers le rouge des pics après la liaison au TiO2 sont dus au couplage électronique entre le groupe carboxyle et le TiO2, ce qui entraîne une réduction des énergies LUMO. Fait intéressant, CA a présenté une absorption plus large et plus forte dans le régime de lumière visible que PA et FA. Cela peut être dû à une excitation directe par transfert de charge du niveau catéchol π au bas de la bande de conduction TiO2 car l'AC possède à la fois des groupes catéchol et acide carboxylique qui sont des ancres de colorant communes dans les DSSC29. De plus, la force de l'interaction entre la molécule de colorant et le cluster TiO2 (c'est-à-dire l'énergie d'adsorption) a été calculée et résumée dans le tableau S1. Une grande valeur négative indique un transfert de charge plus efficace du colorant vers la bande de conduction TiO2.

Spectres UV-visible calculés de (a) HCA et (c) complexes HCA-TiO2 et spectres UV-visible expérimentaux de (b) HCA et (d) films de TiO2 mésoporeux greffés avec HCA.

La figure 3a montre les énergies orbitales moléculaires calculées des niveaux HOMO et LUMO des complexes HCA et HCA-TiO2. La différence structurelle a eu une influence substantielle sur les niveaux de HOMO plutôt que sur le LUMO. La chélation bidentée a entraîné la stabilisation du LUMO et donc une diminution de l'écart énergétique HOMO – LUMO. Les énergies HOMO calculées étaient inférieures au potentiel redox de \({I}^{-}/{I}_{3}^{-}\) (− 4,80 eV)30, ce qui garantit que les colorants oxydés peuvent récupérer les électrons des ions iodure et être régénérés. Les énergies LUMO calculées étaient supérieures à celles de la bande de conduction (CB) de TiO2 (- 4,00 eV)30, ce qui indique que les colorants à l'état excité peuvent facilement injecter des électrons dans le TiO2 CB. La voltamétrie cyclique (CV) a été utilisée pour déterminer les caractéristiques électrochimiques et les niveaux d'énergie HOMO – LUMO de tous les composés, et leurs tracés CV sont illustrés à la Fig. 3b. Les niveaux HOMO ont été calculés à partir des premiers potentiels d'oxydation (Eox) des colorants, tandis que les niveaux LUMO ont été obtenus à partir de la différence entre les énergies de transition Eox et d'excitation (E0-0). Le tableau 1 répertorie les propriétés photophysiques et électrochimiques des HCA. Il a montré que le cycle aromatique avec plus de substitutions dans CA et FA entraînait une réduction de l'énergie de l'écart HOMO – LUMO en raison de la stabilisation des niveaux d'énergie HOMO et LUMO.

( a ) Niveaux d'énergie calculés des dérivés HCA (PA, FA, CA) et des complexes de TiO2 greffés HCA et ( b ) voltammogrammes cycliques des colorants synthétisés dans EtOH (1 mM) à une vitesse de balayage de 100 mV s-1. Le couple ferrocène/ferrocénium (Fc/Fc+) a été utilisé comme référence externe (Encadré).

La performance photovoltaïque a été étudiée sous deux sources lumineuses différentes, à savoir. Lumière simulée AM 1.5G (100 mW/cm2) et LED UV (365 nm, 115 mW/cm2), comme illustré sur les Fig. 4a, b, respectivement. Les paramètres photovoltaïques sont répertoriés dans le tableau 2. Le rayonnement UV représente environ 5% du rayonnement solaire terrestre, et donc les DSSC sensibilisés avec des HCA présentent de faibles PCE sous un éclairage solaire. Cependant, les HCA peuvent récolter des photons UV et permettre ainsi la production d'électricité sous irradiation UVA monochromatique. Il est à noter que la cellule avec uniquement du TiO2 et un couple redox iodure/triiodure pourrait produire de l'électricité sous illumination UVA. Cela indique que le TiO2 a absorbé les photons de l'irradiation UVA et a généré des électrons libres pour l'opération DSSC. Le tableau S2 résume les paramètres photovoltaïques en fonction de l'intensité des UVA. Au fur et à mesure que l'intensité augmentait, la tension en circuit ouvert (Voc) se stabilisait et la densité de courant de court-circuit (Jsc) augmentait régulièrement, mais le PCE atteignait un pic. Parmi les paramètres, Jsc est fortement corrélé à l'efficacité de collecte de la lumière (LHE), qui dépend du coefficient d'extinction de la molécule. Il est obtenu en intégrant le produit de la densité de flux de photons incidents et de l'efficacité quantique externe (EQE) de la cellule sur toute la gamme de longueurs d'onde. Les performances des DSSC ont également été mesurées après une période de vieillissement à température ambiante et en circuit ouvert (Fig. S1), et les paramètres photovoltaïques à 1 soleil et UVA sont résumés dans les tableaux S3 et S4, respectivement. Sur 10 jours, les cellules CA (TiO2 uniquement) scellées avec des scellants thermoplastiques Surlyn®, qui avaient une certaine perméabilité à l'oxygène et à l'humidité31, ont perdu 24 % (55 %) à 1 soleil et 16 % (40 %) aux UVA, respectivement. La figure 4c montre les spectres EQE des DSSC sensibilisés aux HCA. L'augmentation significative de Jsc de la cellule CA par rapport aux cellules FA et PA peut être attribuée à sa capacité à collecter plus de photons dans les régions UVA et visible. Cependant, les cellules FA et PA absorbaient sélectivement la lumière UVA et pouvaient donc être plus visiblement transparentes que la cellule CA. De plus, une analyse EIS a été effectuée pour étudier les processus de transfert de charge interfaciaux dans le DSSC. Les tracés de Nyquist des DSSC dans des conditions d'éclairage standard (AM 1,5G, 100 mW/cm2) sont illustrés à la Fig. 4d. Les deux demi-cercles indiquant les comportements de transfert de charge dans les régions de fréquence intermédiaire et haute peuvent être attribués au transfert d'électrons à l'interface TiO2/colorant/électrolyte et au transfert de charge électrochimique à l'interface Pt/électrolyte, respectivement. Les grands demi-cercles dans la région de fréquence intermédiaire impliquent la grande résistance de transfert de charge (Rtr) sous un éclairage solaire. Ceci est en accord avec les performances photovoltaïques observées ci-dessus. Les mesures EIS ont également été répétées pour examiner la stabilité électrochimique des DSSC tels que fabriqués et vieillis à température ambiante (Fig. S2). Le demi-cercle dans la région de fréquence intermédiaire est devenu plus grand sur 10 jours et donc la dégradation des performances était liée à l'interface TiO2/colorant/électrolyte.

Caractéristiques JV sous (a) un éclairage solaire (AM 1,5G, 100 mW/cm2) et (b) un rayonnement UVA (365 nm, 115 mW/cm2), (c) EQE des DSSC sensibilisés avec CA, FA et PA, (d) Parcelles de Nyquist des DSSC sous un éclairage solaire.

Pour réaliser des cellules solaires visiblement transparentes et incolores, nous devons envisager un compromis inhérent entre le PCE et la transmission de la lumière visible (VLT), où le VLT approche de 100 % lorsque le PCE approche de zéro. Généralement, l'œil humain est sensible à la lumière entre 400 nm (violet) et 700 nm (rouge) ; ainsi, la transparence de l'appareil (\({\uptau }_{\mathrm{v}}\)) doit être évaluée par la méthode standard ISO (ISO 9050:2003) et l'intégration du spectre de transmission par rapport à la vision photopique humaine, en utilisant l'équation suivante32 :

où \(\uptau \left(\uplambda \right)\), \({\mathrm{D}}_{\uplambda }\), \(\mathrm{V}\left(\uplambda \right)\) et \(\Delta\uplambda\) sont la transmission spectrale de l'appareil, la distribution spectrale relative de l'illuminant D65, la fonction de luminosité spectrale CIE pour la vision photopique et l'intervalle de longueur d'onde, respectivement. Les figures 5a, b montrent les spectres de transmission des films de TiO2 greffés au HCA et des DSSC sensibilisés aux HCA. Les valeurs VLT calculées sont présentées dans le tableau 3. Les films et les cellules présentaient une faible transmission à des longueurs d'onde inférieures à 400 nm. Leur transmittance augmentait rapidement dans le visible et atteignait 80 % des films et 50 % des cellules à des longueurs d'onde supérieures à 550 nm. Ces résultats confirment que les HCA peuvent être utilisés pour le photovoltaïque transparent sélectif aux UV (TPV). Malheureusement, la diminution de la transmission après l'assemblage de la cellule est liée aux pertes de transmission dues à l'électrocatalyseur à base de Pt et à l'électrolyte iodure33. En particulier, l'électrolyte redox \({I}^{-}/{I}_{3}^{-}\) absorbe de nombreux photons dans la gamme de longueurs d'onde de 300 à 500 nm.

Photographies et spectres de transmission de (a) films à colorant greffé et (b) DSSC.

Pour l'analyse des couleurs, le spectre de la lumière transmise à travers l'échantillon (S(λ)) a été calculé à l'aide du spectre de transmission T(λ) et du spectre AM 1,5G (source lumineuse) I(λ), en utilisant la formule S(λ) = T(λ)I(λ). Selon la recommandation CIE34,35, le spectre transmis S(λ) a ensuite été utilisé pour calculer les valeurs tristimulus CIE comme

où \(\overline{x }\left(\uplambda \right)\), \(\overline{y }\left(\uplambda \right)\) et \(\overline{z }\left(\uplambda \right)\) sont les fonctions de correspondance des couleurs de l'observateur standard CIE 1931. Les coordonnées de chromaticité CIE 1931 (x, y) sont définies comme suit :

Même si la chromaticité CIE 1931 est la plus utilisée pour la spécification colorimétrique, l'espace colorimétrique est perceptiblement non uniforme36,37. L'échelle de chromaticité uniforme CIE 1976 a donc été construite en convertissant mathématiquement les coordonnées de chromaticité x, y en u ', v 'comme:

Sur la figure 6, les coordonnées de couleur de la lumière transmise sont tracées sur le diagramme de chromaticité CIE 1931 (x, y) et CIE 1976 (u', v'). Les coordonnées de la lumière AM 1.5G ont également été incluses comme références. La chromaticité CIE 1976 est perceptuellement uniforme et, par conséquent, est plus adaptée pour estimer l'ampleur de la différence de couleur entre les cellules.

Coordonnées de couleur des (a) films photoanodiques (TiO2 uniquement, CA, FA, PA et N719) et (b) leurs cellules solaires tracées sur le diagramme de chromaticité CIE 1931 (x, y) et CIE 1976 (u′, v′). AM 1.5G est également inclus comme source lumineuse de référence.

Le système de colorimétrie CIE a ensuite été utilisé pour calculer deux facteurs de mérite pour décrire les qualités de couleur de la lumière transmise : la température de couleur corrélée (CCT) et la différence de couleur. Le CCT est une mesure de l'apparence de la couleur de la lumière, définie comme la température d'un radiateur de corps noir dont le point de chromaticité est le plus proche du point de chromaticité de la lumière. Un CCT faible (inférieur à 3500 K) correspond à une lumière orangée, alors qu'un CCT élevé (supérieur à 5500 K) correspond à une lumière bleutée38. Ensuite, la différence de chromaticité par rapport à la source lumineuse d'origine (AM 1,5G) a été calculée pour caractériser la façon dont la lumière changeait lorsqu'elle était transmise à travers l'échantillon. Dans la chromaticité CIE 1976 (u′, v′), la distance euclidienne (Δu′v′) entre les coordonnées de chromaticité de la lumière transmise et la lumière AM 1,5G (u′ = 0,2062, v′ = 0,4783) a été calculée. Le tableau 4 répertorie les coordonnées de chromaticité (x, y), (u′, v′), CCT et la différence de couleur (Δu′v′) de la lumière transmise.

Dans le cas des films, les CCT des cellules CA et FA étaient respectivement de 4615 K et 4724 K, ce qui était relativement proche de celui de la cellule TiO2 uniquement (4825 K). En revanche, les CCT des cellules PA et N719 étaient faibles, à 4229 K et 4116 K, respectivement. En ce qui concerne la différence de couleur, l'écart par rapport à la source lumineuse d'origine était le plus petit pour le FA (0,0160) et a augmenté de l'ordre de CA (0,0192), N719 (0,0252) et PA (0,0299). Lorsqu'elles sont fabriquées en tant que dispositifs, les cellules CA, FA et PA affichent des CCT similaires et des différences de couleur allant de 3729 à 3970 K et de 0,0432 à 0,0469, respectivement. Fait intéressant, les CCT et les différences de couleur des cellules HCA étaient comparables à celles de la cellule TiO2 uniquement, qui avaient respectivement les valeurs 4063 K et 0,0400. La cellule N719, en revanche, présentait un CCT inférieur (3148 K) et un décalage de couleur plus important (0,0663) par rapport à la source lumineuse d'origine, transmettant une lumière orangée.

Bien que la lumière pénétrant à travers les DSSC sensibilisés au HCA soit incolore, comparable à la cellule TiO2 uniquement, l'indice de rendu des couleurs (IRC) doit également être signalé pour mieux comprendre leur qualité de couleur. Contrairement aux chiffres de mérite rapportés ci-dessus, le CRI ne tient pas compte de la couleur de la lumière transmise elle-même. Il décrit plutôt l'apparence des couleurs des objets éclairés par la lumière transmise. L'IRC d'une lumière est la mesure complète de sa capacité à reproduire les couleurs d'objets à l'aide de 15 échantillons de couleur de test (TSC01 à TSC15)39. Il est dérivé en comparant le rendu des couleurs de la lumière transmise à celui d'un corps noir de référence avec la même température de couleur. L'IRC général (Ra, moyenne de R1 à R8) a été calculé en faisant la moyenne des scores des huit premiers échantillons de couleur. Ces huit échantillons (TSC01 à TSC08) correspondent à des couleurs insaturées et pastel. R9 à R15 sont des IRC spéciaux de rouge, jaune, vert, bleu, teint, vert olive et couleurs de peau asiatiques, respectivement. Le tableau 5 répertorie l'IRC général (Ra) et les IRC spéciaux (R9–R15) de la lumière pénétrant à travers les films et les dispositifs. La figure 7 compare les coordonnées de couleur des huit premiers échantillons de couleur (TSC01 à TSC08) éclairés par la lumière transmise des dispositifs et le corps noir de référence. Les directions de changement de couleur ont été tracées sur le nuancier CIELAB.

Coordonnées de couleur des huit échantillons de couleur de test (TSC01 à TSC08) éclairés par la lumière transmise à travers les cellules HCA (CA, FA et PA) et la cellule N719 (points blancs) et le corps noir de référence (points noirs).

Plus l'IRC est élevé, meilleure est la source lumineuse pour restituer les couleurs avec précision. Un IRC de 100 représente les meilleures performances d'une lumière, tandis qu'une faible valeur d'IRC peut rendre certaines couleurs d'objets non naturelles et ternes. Les sources lumineuses avec un IRC supérieur à 85 sont considérées comme bonnes pour le rendu des couleurs40. Une valeur CRI élevée est particulièrement critique pour les applications et les environnements sensibles aux couleurs où l'apparence visuelle et la précision des couleurs sont importantes pour les entreprises. En général, les DSSC sensibilisés au HCA (CA, FA et PA) et la cellule N719 présentaient une excellente capacité de rendu des couleurs. En termes de Ra, les cellules FA et N719 ont montré des capacités de rendu légèrement inférieures pour les échantillons de couleur TSC03, TSC04, TSC07 et TSC08 par rapport aux cellules CA et PA (voir Fig. 7). Les coordonnées de couleur éclairées par la cellule TiO2 uniquement sont également fournies sur la Fig. S3, confirmant qu'il n'y a pas de différence notable dans les performances Ra entre les cellules HCA (CA, FA et PA) et la cellule TiO2 uniquement. Parmi les CRI spéciaux, R9 et R12 ont montré de faibles valeurs pour les cellules HCA (CA, FA et PA) et la cellule N719. R9 et R12 correspondent à la capacité d'une source lumineuse à afficher respectivement des objets rouges et bleus saturés. Ainsi, l'utilisation de cellules DSSC et N719 sensibilisées au HCA dans les galeries d'art ou les musées, où les teintes rouges et bleues sont répandues, nécessite une certaine prudence. En particulier, la lumière transmise par les cellules FA, PA et N719 rendait mal le rouge, avec un ternissement notable (R9 ≤ 75). Par conséquent, l'utilisation de ces cellules n'est pas recommandée dans les domaines médicaux, où il est essentiel de restituer avec précision les couleurs des tissus et du sang.

Nous avons étudié les propriétés spectroscopiques, électrochimiques et colorimétriques des dérivés de l'acide hydroxycinnamique, qui absorbent sélectivement la lumière UVA, et vérifié leur utilisation comme photosensibilisateurs pour les DSSC sélectifs aux UV et incolores. Les DSSC présentaient un PCE de 0,22 à 0,38 % sous un éclairage AM 1,5 G (100 mW/cm2) et de 3,40 à 3,62 % sous UVA (365 nm, 115,22 mW/cm2), avec un VLT correspondant de 49,07 à 43,72 % et un Ra de 93 à 90. Les dérivés disponibles dans le commerce de l'acide hydroxycinnamique sont des candidats prometteurs pour une application dans le développement de cellules solaires sélectives en longueur d'onde et visiblement transparentes. Nous fabriquons actuellement des DSSC à faible coût et de grande surface avec des HCA pour les fenêtres photovoltaïques et explorons la co-sensibilisation des colorants absorbant les UV et les NIR avec des spectres d'absorption complémentaires pour les DSSC panchromatiques.

Les calculs théoriques de trois acides hydroxycinnamiques (acide caféique, acide férulique et acide p-coumarique) ont été effectués à l'aide du progiciel Gaussian 0941. Pour les calculs DFT, les structures optimisées de l'état fondamental des molécules individuelles et du TiO2 lié à la molécule ont été obtenues au niveau B3LYP42 avec la base 6-31G(d,p) définie pour les atomes C, H, O et N et la base LANL2DZ définie pour l'atome de Ti43. Pour les calculs TDDFT, les énergies d'excitation électronique verticale et les forces d'oscillateur pour les 20 transitions les plus basses dans les structures optimisées à l'état fondamental ont été calculées à l'aide de la fonction CAM-B3LYP et de l'ensemble de base 6–311 + + G(d,p)44. L'effet de solvatation (éthanol, ε = 24,852) a été considéré à la fois pour les états fondamental et excité en utilisant la méthode du champ de réaction auto-cohérent (SCRF) basée sur le modèle de continuum polarisable (PCM) de Tomasi45.

L'acide caféique (CA), l'acide férulique (FA), l'acide p-coumarique (PA) et d'autres réactifs ont été achetés chez Merck et utilisés sans autre purification.

Les propriétés photophysiques et électrochimiques des composés absorbant les UV ont été déterminées selon nos précédents protocoles6. Les spectres d'absorbance et de transmission UV-visible ont été enregistrés à l'aide d'un spectrophotomètre UV-2600 240 V EN (Shimazu, Japon). Le CV a été réalisé à une vitesse de balayage de 100 mV/s à l'aide d'un potentiostat/galvanostat B22104 (CompactStat.e, Ivium Tech., Pays-Bas). Une cellule à trois électrodes composée d'une électrode de travail à disque de Pt, d'une contre-électrode à fil de Pt et d'une électrode de référence Ag/Ag+ a été utilisée. Un couple ferrocène/ferrocénium (Fc/Fc+) a été utilisé comme référence externe. Les solutions ont été préparées en utilisant de l'EtOH sec contenant 0,1 M de perchlorate de tétrabutylammonium (TBAP) comme électrolyte de support. Les solutions ont été purgées avec de l'azote (N2) pendant 15 min avant d'enregistrer les données électrochimiques.

Nos procédures de fabrication DSSC ont été motivées par les rapports précédents12,13,14,15. Des substrats en verre d'oxyde d'étain dopé au fluor (FTO) transparents et conducteurs (TEC 7, Pilkington, 2,2 mm d'épaisseur, résistance de feuille = 8 Ω/sq) ont été nettoyés séquentiellement avec de l'acétone, du 2-propanol et de l'eau déionisée, puis cuits sur une plaque chauffante à 150 ° C pendant 10 min. Les substrats conducteurs ont été prétraités avec une solution aqueuse de TiCl4 (40 mM) à 75 ° C pendant 30 min, rincés plusieurs fois avec de l'eau déminéralisée et séchés sous un flux de gaz N2. La pâte de TiO2 (Solaronix, Ti-Nanoxide T/SP) a été sérigraphiée sur le substrat de verre et la surface finale de la photoanode de TiO2 était de 0,25 cm2. Les films sérigraphiés ont été frittés à 300 °C pendant 30 min puis en continu à 575 °C pendant 1 h dans un four à moufle (KSL-1100X, MTI Corporation, USA). Après refroidissement à température ambiante (~ 20 ° C) et traitement du plasma O2, les photoanodes de TiO2 ont été immergées dans la solution aqueuse de TiCl4 (40 mM) à 75 ° C pendant 30 min, rincées à l'eau déionisée, puis chauffées à 550 ° C pendant 30 min sur une plaque chauffante. Les photoanodes ont ensuite été plongées dans une solution EtOH contenant un colorant 0, 5 M de CA, FA et PA, respectivement, pendant 24 h. La concentration de colorant et le temps de trempage ont été optimisés pour les performances photovoltaïques (Fig. S4). Deux trous ont été percés sur d'autres verres FTO pour préparer les contre-électrodes (CE). Ils ont également été nettoyés par ultrasons avec de l'acétone, du 2-propanol et de l'eau désionisée, puis cuits à 150 ° C pendant 10 min. Une solution d'acide chloroplatinique (H2PtCl6) dans du 2-propanol a été déposée par centrifugation sur les substrats conducteurs, suivie d'une réduction thermique à 425 ° C pendant 1 h dans le four à moufle. Pour les DSSC, la photoanode à colorant greffé et le Pt CE ont été assemblés avec un film thermoplastique de 25 µm d'épaisseur (Surlyn™, Solaronix, Suisse) puis scellés par chauffage. Un électrolyte liquide à base d'idodure (AN-50, Solaronix, Suisse) a été injecté à travers les trous pré-percés, qui ont ensuite été scellés avec un film thermoplastique de 60 µm d'épaisseur (Surlyn™, Solaronix, Suisse) et un couvercle en verre. Cinq DSSC de chaque colorant ont été fabriqués pour des mesures photovoltaïques et des tests de stabilité.

Les performances photovoltaïques des DSSC ont été évaluées selon nos précédents protocoles6. Les paramètres photovoltaïques ont été évalués à l'aide d'un système de mesure I-V de cellule solaire (K3000 LAB, McScience, Corée) dans des conditions d'éclairage standard (AM 1,5G, 100 mW/cm2) et de LED UV 365 nm (MK3005P, TNE Tech Co., Ltd, Corée). L'efficacité quantique externe (EQE) a été enregistrée pour évaluer la réponse spectrale des DSSC à l'aide d'un système de test EQE de cellules solaires (K3100, McScience, Corée). Les mesures de spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) ont été effectuées à l'aide d'un analyseur de réponse en fréquence (CompactStat.h, Ivium Tech, Pays-Bas). Un potentiel alternatif modulé sinusoïdal avec une amplitude de 10 mV a été appliqué sur une gamme de fréquences de 0,1 Hz à 500 kHz, à un potentiel de polarisation nul. Les spectres enregistrés dans l'obscurité et sous un éclairage solaire ont été analysés à l'aide d'un modèle de circuit équivalent approprié construit dans un logiciel complexe de régression des moindres carrés non linéaires (ZView®, Scribner Associates Inc., USA). Le test de stabilité a été réalisé par des mesures photovoltaïques et EIS répétées après vieillissement.

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié et son dossier d'information complémentaire.

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Cette recherche a été soutenue par une subvention du programme de recherche scientifique fondamentale par l'intermédiaire de la Fondation nationale de recherche de Corée (NRF) financée par le ministère des Sciences et des TIC (MSIT) du gouvernement coréen (NRF-2021R1A2C2011893), la subvention de l'Institut coréen d'évaluation et de planification des technologies énergétiques (KETEP) financée par le ministère du Commerce, de l'Industrie et de l'Énergie (MTIE) de Corée (n° 20193020010440) et par la bourse de recherche de l'Université Chung-Ang. Subvention en 2020.

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Dang Xuan Long et Jongin Hong

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Kyunga Choi

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Correspondance à Kyungah Choi ou Jongin Hong.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Wulansari, AD, Hayati, D., Long, DX et al. Dérivés d'acide hydroxycinnamique pour cellules solaires sensibilisées aux colorants sélectifs aux UV et visiblement transparents. Sci Rep 13, 3235 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-022-17236-6

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Reçu : 13 février 2022

Accepté : 22 juillet 2022

Publié: 24 février 2023

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

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