Mussaenda erythrophylla から抽出した天然増感剤を染料に使用

Scientific Reports volume 13、記事番号: 13844 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

この研究では、エタノールと脱イオン水で別々に抽出された Mussaenda erythrophylla の花からの天然色素を DSSC の光増感剤として使用しました。 両方の抽出物に対して定量的な植物化学分析を実行しました。 染料のエタノール抽出物中にはフラボノイド (アントシアニン) とクロロフィル A 色素が存在することが、紫外可視分光法によって確認されました。 前記エタノール抽出物に対して行われた安定性研究により、エタノールで抽出された染料は暗所でも安定であり、ほぼ 50 日間分解しないことが確認されました。 色素分子の存在と P25-TiO2 表面への色素分子の均一な吸着は、それぞれフーリエ変換赤外分光法と原子間力顕微鏡によって確認されました。 さらに、染料濃度と pH が染料の光学特性に及ぼす影響も研究されました。 エタノールで抽出された天然色素は、前述の色素増感 P25-TiO2 光陽極 \({I}^{-}\)/\({I}_{3}^{-}\) を利用して製造された DSSC で使用されました。電解液とPt対極。 作製したデバイスの光起電性能は、AM 1.5 フィルターを使用した 100 mWcm-2 の強度の模擬照射下で測定されました。 pH = 5 のエタノールで抽出された色素で増感された P25-TiO2 光アノードで製造されたデバイスは、JSC 0.98 mAcm–2 で 0.41% という最高の電力変換効率 (PCE) を示しました。これは、最適な光吸収に起因すると考えられます。抽出された天然染料中のクロロフィル a とアントシアニン分子による太陽スペクトルの可視領域。

色素増感太陽電池 (DSSC) は、製造コストが低く、環境に優しい操作であるため、長年にわたって世界的に注目を集めています。 DSSC の動作原理は、自然のプロセスである光合成に似ています。 このデバイスは、吸収した太陽光を電気エネルギーに変換することでエネルギーを生成できます。 一般に、DSSC はメソポーラス金属酸化物半導体、色素増感剤、ヨウ化物イオンと三ヨウ化物イオンを含む電解質、および対極で構成されています1。 DSSC では、増感剤が太陽光を収集し、それを電気エネルギーに変換する上で重要な役割を果たします。 数多くの金属錯体や有機色素が合成され、増感剤として利用されています。 しかし、ルテニウムベースの合成有機色素は効果的な増感剤であることがわかっています。 これまでのところ、Ru ベースの N719 色素で増感された DSSC では 11% 以上の最高効率が報告されています 2。 しかし、金属錯体の調製ルートは、多くの場合、単調で高価なクロマトグラフィー精製手順を伴う多段階手順に基づいています3。 合成有機染料をクロロフィルやアントシアニンなどの天然色素に置き換えることで、植物の果実、葉、根、花から簡単に抽出できるため、上記の制限が解決される可能性があると期待されています。

一般に、植物の多くの部分にはクロロフィルとアントシアニン色素が含まれています。 クロロフィルは緑色の植物で最も豊富な色素であり、各クロロフィル分子は 4 つのピロール環に囲まれた Mg2+ イオンを持ち、そのうちの 1 つはフィトール尾部に結合しています4。 クロロフィル分子は、その光吸収特性により光受容体として説明されます。 クロロフィルにはクロロフィル a とクロロフィル b の 2 種類があり、ピロール環の 1 つの C3 位の構造が異なります。 クロロフィル b のピロール環の C3 位にはホルミル (-CHO) 側鎖が含まれていますが、クロロフィル a5 では同じ位置にメチル (-CH3) 基が存在します。 異なる置換基の存在により、クロロフィル a 分子とクロロフィル b 分子はさまざまな光吸収特性を示します。 したがって、クロロフィルは、可視スペクトルの青、赤、紫の領域に対応する広い波長範囲の光を吸収します6。 アントシアニンは、花や果物の花びらの色の多様性に関与するもう 1 つの色素です。 DSSC の色素としてアントシアニンを使用すると、太陽スペクトルの青緑色領域の光が吸収され7、アントシアニン分子に存在するカルボニル基とヒドロキシル基が TiO2 表面 (光電極) への効率的な固定を示し、その結果、太陽電池における効果的な電子注入メカニズムが可能になります。 DSSC8。