Synthesis and characterization of perylene derivatives for application in dye-sensitized solar cells (DSSCs)

ในงานวิจัยนี้รายงานการสังเคราะห์และพิสูจน์เอกลักษณ์ของสารอนุพันธ์ของเพอร์ริลีนชนิดใหม่ที่มีหมู่ปิดท้ายที่แตกต่างกัน สำหรับประยุกต์ใช้ในอุปกรณ์เซลล์แสงอาทิตย์แบบสีย้อมไวแสง โดยหมู่ปิดท้ายที่แตกต่างกัน คือ ฟลูออรีน คาร์บาโซล ไตรฟีนิลเอมีน และไธโอฟีน โมเลกุลเป้าหมายที่สังเคราะห์ได้คือ N,N-bis(9,9-didodecylfluorene-2-yl)perylene bisimide (DM01-30), N,N-bis(9,9-didodecyl-7-cabazoylfluorene-2-yl)perylene bisimide (DM01-25), N,N-bis(3,6-biscarbazoyl-(7-carbazoyl)-9,9-didodecylfluorene-2-yl)perylene bisimide (DM01-31), N,N-bis(9,9-didodecyl-7-(3,6-(di(tert-butyl)cabazoylfluorene-2-yl)perylene bisimide (DM01-71),N,N-bis(3,6-bis(3?,6?-di(tert-butyl)carbazoyl-(7-carbazoyl)-9,9-didodecyfluorene-2-yl)perylene bisimide (DM01-48), N,N-bis(3,6-bistriphenylamino-(7-carbazoyl)-9,9-didodecylfluorene-2-yl)perylene bisimide (DM01-49), N,N-Bis(9,9-dioctylfluorene-2-yl )perylene bisimide (DM01-60), N,N-Bis(9,9-dioctylfluorene-7-(9?,9?-dioctyl-2?-fluorene)-2-yl)perylene bisimide (DM01-52), N,N-bis(9,9-didodecyl-7-thiopnenefluorene-2-yl)perylene bisimide (DM01-68), N,N-bis(9,9-didodecyl-7-(5-thiophene-thiophene)fluorine-2-yl)perylene bisimide (DM01-74), N,N-bis(9,9-didodecyl-7-(5-(5?-thiophene)thiophene-thiophene)fluorine-2-yl)perylene bisimide (DM01-77) และN,N-bis(9,9-didodecyl-7-(5-(5?-(5?-thiophene)-thiophene)thiophene-thiophene)fluorine-5-yl)perylene bisimide (DM01-83) ถูกพิสูจน์เอกลักษณ์โดยใช้เทคนิค 1H- 13C-NMR และ FTIR ทำการวัดการดูดกลืนแสงด้วยเทคนิค UV-vis spectroscopy พบว่าโมเลกุลสารเป้าหมายมีการดูดกลืนแสงในช่วงความยาวคลื่นแสงสองช่วงคือ ช่วงการดูดกลืนแสงของเพอร์ริลีนแกนกลางที่ความยาวคลื่น 459-527 นาโนเมตร และช่วงการดูดกลืนแสงของหมู่แทนที่ที่ความยาวคลื่น 220-350 นาโนเมตร วัดการเรืองแสงของสารเป้าหมายพบว่ามีการเรืองแสงที่ต่ำเมื่อเทียบกับเพอร์ริลีนที่มีหมู่แทนที่เป็นหมู่อัลคิล เมื่อทำการทดสอบคุณสมบัติทางเคมีไฟฟ้า พบว่า ในช่วงการเกิดปฏิกิริยารีดักชันเป็นการรีดิวส์ของหมู่เพอร์ริลีนที่เป็นแกนกลาง ส่วนในช่วงการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน พบว่า เป็นการออกซิไดส์ของหมู่แทนที่ซึ่งจะเปลี่ยนแปลงไปตามคุณสมบัติของหมู่แทนที่ นอกจากนี้ สารเป้าหมายยังแสดงคุณสมบัติทางความร้อนที่ดี ซึ่งคุณสมบัติเหล่านี้เหมาะที่จะนำไปประยุกต์เป็นสีย้อมในอุปกรณ์เซลล์แสงอาทิตย์แบบสีย้อมไวแสง
Novel perylene bisimide derivatives bearing fluorene, carbazole, triphenylamine and oligothiophenes moieties end-capping were synthesized and characterized for use as light-harvesting materials in dye-sensitized solar cells (DSSCs). The target molecules were successfully formed by a condensation of perylene dianhydride with appropriate aminos in the presence of imidazole as base and solvent at 140 ?C. The desired molecules were soluble in all common organic solvents at room temperature. The chemical structures of N,N-bis(9,9-didodecylfluorene-2-yl)perylene bisimide (DM01-30), N,N-bis(9,9-didodecyl-7-cabazoylfluorene-2-yl)perylene bisimide (DM01-25), N,N-bis(3,6-biscarbazoyl-(7-carbazoyl)-9,9-didodecylfluorene-2-yl)perylene bisimide (DM01-31), N,N-bis(9,9-didodecyl-7-(3,6-(di(tert-butyl)cabazoylfluorene-2-yl)perylene bisimide (DM01-71),N,N-bis(3,6-bis(3?,6?-di(tert-butyl)carbazoyl-(7-carbazoyl)-9,9-didodecyfluorene-2-yl)perylene bisimide (DM01-48), N,N-bis(3,6-bistriphenylamino-(7-carbazoyl)-9,9-didodecylfluorene-2-yl)perylene bisimide (DM01-49), N,N-Bis(9,9-dioctylfluorene-2-yl )perylene bisimide (DM01-60), N,N-Bis(9,9-dioctylfluorene-7-(9?,9?-dioctyl-2?-fluorene)-2-yl)perylene bisimide (DM01-52), N,N-bis(9,9-didodecyl-7-thiopnenefluorene-2-yl)perylene bisimide (DM01-68), N,N-bis(9,9-didodecyl-7-(5-thiophene-thiophene)fluorine-2-yl)perylene bisimide (DM01-74), N,N-bis(9,9-didodecyl-7-(5-(5?-thiophene)thiophene-thiophene)fluorine-2-yl)perylene bisimide (DM01-77) และN,N-bis(9,9-didodecyl-7-(5-(5?-(5?-thiophene)-thiophene)thiophene-thiophene)fluorine-5-yl)perylene bisimide (DM01-83) were confirmed by 1H-NMR and 13C-NMR, and FTIR techniques. UV-vis absorption spectra in dichloromethane showed a wide absorption band ranging from 459-527 nm and 220-350 nm indicating the presence of perylene core and aromatic substituent, respectively. Fluorescence spectra were carried out in dichloromethane compared to N,N-2-ethylhexylperylene bisimide, fluorescence quantum yield of all perylene derivatives are very low. Electrochemical properties of the molecules were investigated in dichloromethane solution with scan rate of 0.05 V/s using 0.1 M n-Bu4NPF6 as an electrolyte. The reduction potentials were similar while the oxidation potential were different depending on substituents at imide group. DSC data displayed a high thermal stability. As a result the perylene derivatives showed the inadequate potential to be a light absorbed molecule for dye-sensitized solar cell (DSSCs).