叶绿素、叶黄素农作物作为涂料染料太阳能电池(DSSC)

罗西米¹Matteocci F²,迪卡洛²行为和C^{1 *}

¹罗马大学生物学系Tor Vergata,通过德拉Ricerca Scientifica, 00133罗马,意大利

²罗马CHOSE-Centre混合和有机太阳能Energy-University Tor Vergata,通过德尔Politecnico 1, 00133罗马,意大利

*通信地址:大学生物学系教授Cinzia弗尼罗马Tor Vergata通过德拉Ricerca Scientifica, 00133罗马(意大利),电子邮件:forni@uniroma2.it

日期:提交:2017年9月29日;批准:09年10月2017;发表:2017年10月11日

本文引用:罗西M, Matteocci F,迪卡洛弗尼c .叶绿素、叶黄素农作物作为涂料染料太阳能电池(DSSC)。J植物Sci Phytopathol。2017;1:087 - 094。
DOI:10.29328 / journal.jpsp.1001011

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关键词:叶绿素;叶黄素;染料;DSSCs

涂料太阳能电池(DSSC)受光合作用电子传递机制特征。这项技术由Gratzel[1],是基于四个不同的组件的使用,再生电化学过程,同时,生成一个基于机制的电子注入[2]。工作电压由细胞的化学势的区别是电子受体(费米能级)和电子供体的氧化还原电势。电路是由:染料光收割机,TiO₂三碘化层作为电子受体,碘/ (I - / I3 -)电解质作为电子供体和铂(Pt)对电极的阴极。注入的化学反应机制是基于以下三个阶段:光吸收,电子注入和再生。

DSSC由以下四个部分:1)半导体,2)电解液,3)对电极,4)染料[3]。半导体必须有两个特点,以被使用,即高染料化学吸收作用能力和高介电常数使注入电子的屏蔽,避免氧化染料的重组。最常用的半导体,根据其性能和价格,二氧化钛(TiO₂或者在锐钛矿二氧化钛)形式。TiO₂显示了一个高介电常数,阻止电子复合染料,和高折射率,允许光的均匀分布在纳米多孔层。

电解液的任务提供了一种新的电子染料,目的是重新启动电子的注入循环。电池电压和电流强度,两个参数产生的效率Gratzel电池,electrolyte-dependent。通常电解质包含我,/我₃-氧化还原离子,但也有溴电解质(Br - / Br2)。发生在电解液的反应是:3我→I3 - e + 2

这个反应提供了两个电子,将用于生成染料。对电极的电解液会重新生成。电解质的使用可以呈现一个主要缺点由于细胞密封不当导致蒸发,给了一个不合适的细胞。

对电极再生电解质,这就是为什么它必须有电荷转移的低电阻和高电流密度。铂是最常用材料对电极,但它是一个非常昂贵的元素。一个低成本的选择,应该考虑是碳。

光敏染料分子吸收太阳辐射,将电子注入到半导体导带。每个感光剂必须有一些特别的特点:a)在可见范围的光吸收,b)在半导体表面化学吸收作用,c)高效的电子注入半导体导带,d)羧基或羟基可以复杂TiO的钛表面(Ti)₂吸收光子,e)能力。

有机染料,如钌配合物或天然有机染料,特别是黄酮类化合物和花青素,是最常见的增敏剂使用这种技术(3 - 6),但叶绿素和类胡萝卜素也可以使用,提供了一些特殊的预防措施[7]。天然染料是有机化合物的极好选择。他们都DSSC染料的基本特征,最重要的是,价格便宜和容易获得。叶绿素(背影)是主要的植物光合色素。光合生物有不同类型的叶绿素(a, b, c1, c2, c3和d),但在高等植物只有chl-a和chl-b存在[8]。Chl-a和chl-b不同分子结构的一个侧链的环状四吡咯由于CH的存在₃在chl-b chl-a和赵。这两种分子吸收不同波长的光;chl-a有两个吸收峰,第一个在430 nm,第二个在663海里;chl-b吸收峰在480 nm和650 nm。

叶绿素可以被认为是理想的敏化由于高度稳定的单双键交替多环网络(多基因)共轭结构,使轨道离域[3]。然而分子中烷基官能团的存在阻碍了有效绑定这些颜料TiO的衬底上生长₂表面[9]。因此,大多数的文献报告在这个领域是关于纯粹的使用或修改的背影分子[7 10 11]。旁边的背影,类胡萝卜素类萜色素吸附光进行光合作用和保护photo-oxidation的光。他们展示了一个吸收峰接近470海里。有两类类胡萝卜素:胡萝卜素(化学由碳和氢)和叶黄素(化学由碳、氢和氧)。

由于价格昂贵,有时艰苦的过程获得天然染料,这项工作的目的是验证利用原油的可能性从农作物中提取的叶绿素和类胡萝卜素的物种,为了更好地利用农业废弃物。为此我们选择两个重要和广泛使用的作物,如菠菜(菠菜oleraceal .)和胡椒(甜椒l .)。的背影染料从菠菜叶中提取,而叶黄素染料从水果中提取辣椒。后者的特点是两个叶黄素(xanth)的存在,capsantin和辣椒红素,羟基(图1),用于TiO的绑定₂层。

制备photo-anodes

这个准备包括不同的步骤。一个玻璃板溅FTO划分用激光(通用激光系统极限状态30瓦特)在细胞三个photo-anodes;每个photo-anode分开,是电气隔离。每个photo-anode印刷0.25毫米2TiO₂纳米颗粒层(直径20海里),然后烤2小时后温度斜坡:45分钟从100°C到480°C, 30分钟在480°C, 45分钟从480°C到100°C。这个过程称为烧结事实上TiO₂在介孔材料。第二个TiO₂层是上面印上一个。第二个层是由大TiO₂然后再烧结颗粒(直径400海里)。第二层是一个散射层,其目的是底部均匀地扩散光层。

准备基本的叶绿素提取溶剂

使用的溶剂在叶绿素提取是methanol-based溶剂。氢氧化钠的量等于5% (w / v)添加到甲醇,然后搅拌6小时。

染料的制备:色素提取

叶绿素(背影)提取新鲜或冷冻菠菜叶子。1.5克(鲜重)的叶子在液氮使用迫击炮和pestel均质。获得的粉末悬浮在10毫升的基本溶剂然后搅拌在5°C 90分钟。然后在1500 x g样本离心机15分钟;上层清液的收集和过滤(0.2μm孔隙过滤器,绘画纸),保持在-20°C到使用。由于叶绿素photo-sensitivity,这个协议的所有步骤进行含染料都覆盖着昏暗的灯光下,玻璃器皿铝箔光致氧化降到最低。染料的性能获得新鲜的叶子比较与冷冻的。此外,为了确定保护染料稳定的影响,效率决定进行一天老叶绿素提取或提取保存一个月在-20°C。

辣椒红素和叶黄素(xanth) capsantin从水果中提取红辣椒地根据上面的描述方法。甲醇提取xanth。

染料沉积在photo-anodes

photo-anodes加热在160°C的10分钟,为了消除残余湿度,然后浸入染料样品和维持在4°C至少4小时。之后,他们在乙醇冲洗一分钟和清洁用湿纸删除任何溶剂残留的玻璃。

电池组装

photo-anodes被固定在反电极层的塑性材料称为Surlyn (SOLARONIX),然后按下了40年代在100°C。Surlyn允许的特定形状的创建三个口袋TiO的层₂插入,电解质使用真空泵。细胞被密封的密封层(Threebond 3035 B紫外线树脂),防止电解液蒸发。最后,一个银膏用于创建细胞接触。

细胞特性

非常进行的photo-electrochemical表征sun-simulator(教唆技术太阳2000年太阳能模拟器)设置在1太阳光照强度。这个特性让四个输出参数:

•Voc在mV:开路电压,测量。

•Jsc:短路光电流。以mA / cm2. / p >

•FF:填充因数,百分比值。

•η:效率、百分比值。

DSSC的每个测量9重复进行三次。数据的平均值决定±静电的

初步实验使用原油叶绿素提取执行未果,因为缺乏自由羧基或羟基不允许绑定TiO的色素₂表面。背影的特点是两个酯键的存在,连接两个不同的取代基,其中一个是叶绿醇集团在卟啉环上。使用一个基本的溶剂(氢氧化钠)允许这两种债券的基本水解,离开卟啉环上的两个羧基,使TiO的绑定₂表面(图2)。

背影诱导的基本水解吸收峰的变化(图3)。的主要乐队的背影在425.1和654.9 nm转变为hydrolizyzed排名410和635海里。

背影显示DSSC的敏化和水解效率高、Voc、Jsc和FF值(表1)。

为了检测保护染料稳定的效果,效率决定进行1天或1月大染料,如上所述。表1显示了旧和新提取染料的区别。新染料都比旧的更有效,因为退化的背影分子的样本。染料之间没有差异来源于冷冻或新鲜的叶子被发现(表1;图4 - 7)。

与xanth DSSC敏化染料的背影的相比,显示不同的值。由于羟基capsantin辣椒红素,TiO的绑定₂层表面总是发生,但这两种叶黄素DSSC增敏剂并不有效。表2报告与DSSC得到的值与叶黄素敏化。Xanth。1, Xanth。2和Xanth。3代表了三个不同的抽取,紧随其后的是三个不同的敏化作用。photo-electrochemical参数没有显著(P < 0.001),不同的值(表2)。xanth photo-electrochemical参数低的背影DSSC相比。

DSSC增敏剂使用的大多数是钌化合物和花青素染料(5、6),因为叶绿素通常不用作染料,因为没有羧基或羟基防止绑定二氧化钛(3、12)。这个不需要使用特定的策略,例如不同的分子可以用作TiO之间的桥梁₂和叶绿素允许绑定TiO的分子₂层[3]。通常这些策略是昂贵的,有时他们会干扰光收获,导致DSSC效率低。提取和氢氧化钠水解过程描述的背影在这工作是快速、经济和有效;此外由于碱性水解,提供免费羧基组,不需要不同的绑定策略。这个背影有较高效率值(平均η值0.62%)比不水解的从菠菜中获得(0.16%)和木瓜叶(0.28%)(13、14)和最好的报道的文献(0.47%[2]和[3]0.46%从菠菜)。氢氧化钠水解排名显示更高的效率相比,KOH的背影(0.002%)水解(15、16)。如果相比,合成染料的背影的瓶颈——基础仍然非常低效率;但如果性能/成本比被认为是,这个DSSC Ru-based和有机合成的一个主要优势[3]。

我们的结果证实了文献报道的潜力蔬菜染料DSSCs增敏剂。从高等植物叶绿素大量生产,这是高可用性。从经济角度看,最好的选择可能是制造DSSCs染料增敏剂,由简单的从植物提取的叶绿素分子的水解。Capsantin和辣椒红素好DSSC增敏剂,因为他们的羟基;后者允许TiO的绑定₂层,但这些药物叶黄素不是高性能增敏剂相比,水解叶绿素。这将打开新的未来视角的农业工业废料作为DSSC的低成本的增敏剂。

作者感谢教授伯纳德·格里克的评论的手稿和丹尼尔博士Cecchetti叶绿素的化学结构的细化。这项研究没有收到任何特定公共拨款资助机构,商业,或非营利部门。