Гетеропентацены - новые фотостабильные сенсибилизаторы для третьего поколения солнечных батарей: синтез, теоретическое моделирование и структурная оптимизация

Проект является продолжением начатого Проектом 2019 исследования ранее неизученной группы полигетероциклических соединений ряда трифенодиоксазинов TPDO и хиноксалинофеноксазинов QOPO. В ходе Проекта 2019 были разработаны методы получения, синтезированы, структурно охарактеризованы более 100 соединений, среди которых найдены вещества, обладающие спектральными, электрохимическими и фотофизическими свойствами, необходимыми для электронодонорных компонентов фотовольтаических устройств типа DSSC и OSC с p-n гетеропереходом, преобразующих световую энергию Солнца, Для сконструированных на базе хиноксалинофеноксазинов ячеек ОSC ITO/QOPO dye/C60/bathocuproine/Al достигнуты величины коэффициентов преобразования солнечной энергии РСЕ в электрическую (2.4 %), значения, известные в настоящее время о ячейках с негетероциклическими пентаценами. В проекте 2021 сформулированы пути оптимизация свойств полученных трифеноксадиазинов TPDO и хиноксалинофеноксазинов QOPO и направления их структурной модификации, которые, как ожидается, обеспечат существенное повышение значений РСЕ за счет увеличения скорости переноса заряда между донорным и акцепторным слоями в ячейках типа OSC и улучшения сорбции к полупроводниковому компоненту ячейки в ячейках DSSC. Дополнительные возможности представит также применение в ячейках OSC более эффективных, чем фуллерен, электронных акцепторов. Предполагается осуществить синтез производных п-амино- и п-карбокси-производных хиноксалинофеноксазина, функционализированных «якорными» амидными группами, которые, позволяют эффективно закрепить молекулу на поверхности оксида титана или оксида цинка при изготовлении электродов солнечной ячейки. Будут изучены спектральные (UV-vis), люминесцентные и фотовольтаические свойства полученных соединений методами электрохимии и квантовой химии, их фотостабильность. На основе соединений с наилучшими характеристиками будут созданы и протестированы DSSC и OSC ячейки. Аналогичную функционализацию производных трифенодиоксазиновой системы предполагается осуществить посредством восстановления ранее полученного 10-нитро-трифенодиоксазина до соответствующего амино-производного. Синтезированные аминохиноксалины и трифенодиоксазины будут введены в реакции с п-хинонами для получения конденсированных редокс-активных гетеропентацен-хинониминовых структур, строение и свойства которых будут изучены. Будет разработан подход к синтезу производных новой конденсированной пентагетероциклической системы 2,4,11,13-тетра-(трет-бутил)-10H-хиноксалино[3,2,1-kl]феноксазин-10-она, сочетающей фрагменты феноксазина и о-хинонимина. План работы включает также получение комплексов красителей, на основе трифенодиоксазинов (TPDO) с дикетонатами цинка и последующее исследование свойств тетра-(трет-бутил)-10H-хиноксалино[3,2,1-kl]феноксазин-10-она и комплексов цинка, а также тестирование их фотовольтаических характеристик. Планируется дальнейшее (начатое в рамках проекта 2019) изучение реакций 6-нитро-о-бензохинона, ведущих к получению новых функционализированных гетероциклов. Будут изучены реакции со вторичными алифатическими, гетероциклическими аминами и метилен-активными соединениями. Фотовольтаический способ является наиболее перспективным и технологически удобно адаптируемым методом преобразования солнечной энергии. Современная солнечная энергетика основывается преимущественно на устройствах из моно- и поликристаллического кремния, недостатками которых являются дороговизна, сравнительно низкий коэффициент преобразования энергии и очень высокая рабочая температура. В связи с этим в последнее время повышенное внимание уделяется быстро развивающемуся третьему поколению солнечных батарей, создаваемому с использованием новых материалов – органических полимеров, перовскитов, композитных структур с применением квантовых точек. Важное место в этом ряду занимают солнечные батареи, сенсибилизируемые органическими красителями, которые используются в качестве чувствительных к солнечному спектру доноров электронов. Максимальная достигнутая к настоящему времени эффективность преобразования солнечного света в электричество при помощи DSSC и составляет уже более 22 % и 18.7% для ячеек типа OSC. Преимуществом батарей третьего поколения является то, что в отличие от наиболее распространенных кремниевых батарей, работающих при температуре порядка 1000 °С, они функционируют при обычных температурах и отвечают критериям сохранения окружающей среды.