Vibrational spectroscopy of photosensitizer dyes for organic solar cells

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Pérez León, Carmen:
Vibrational spectroscopy of photosensitizer dyes for organic solar cells.
Bayreuth , 2005
( Dissertation, 2005 , Universität Bayreuth, Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik)

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Abstract

Ruthenium(II) complexes containing polypyridyl ligands are intensely investigated as potential photosensitizers in organic solar cells. Of particular interest is their use in dye-sensitized solar cells based on nanocrystalline films of TiO2. Functional groups of the dye allow for efficient anchoring on the semiconductor surface and promote the electronic communication between the donor orbital of the dye and the conduction band of the semiconductor. In the present work a new dye, [Ru(dcbpyH2)2(bpy-TPA2)](PF6)2, and the well known (Bu4N)2[Ru(dcbpyH)2(NCS)2] complex were spectroscopically characterized. The electronic transitions of both dyes showed solvatochromic shifts due to specific interactions of the ligands with the solvent molecules. The surface-enhanced Raman (SER) spectra of the dyes dissolved in water, ethanol, and acetonitrile were measured in silver and gold colloidal solutions. The results demonstrate that the dyes were adsorbed on the metallic nanoparticles in different ways for different solvents. It was also found that in the gold colloid, the aqueous solutions of both dyes did not produce any SERS signal, whereas in ethanolic solution the SERS effect was very weak. Deprotonation, H-bonding, and donor-acceptor interactions seem to determine these different behaviors. Our results indicate the important role of the charge transfer mechanism in SERS. The adsorption of the dye on two different TiO2 substrates, anatase paste films and anatase nanopowder, was also studied to clarify the role of the carboxylate groups in the anchoring process of the dyes on the semiconductor surface. The recorded spectra indicate a strong dependence of the anchoring configuration on the morphology of the semiconductor.

Abstract in weiterer Sprache

Ruthenium(II)-Komplexe mit Polypyridyl-Liganden werden derzeit ausgiebig auf ihre moegliche Anwendung als Photosensibilisatoren untersucht. Von besonderem Interesse ist ihre Verwendung in farbstoffsensibilisierten Solarzellen auf der Basis von nanokristallinen Titandioxid-Filmen. Funktionelle Gruppen des Farbstoffes ermoeglichen eine effiziente Verankerung auf der Oberflaeche des Halbleiters (TiO2) und verstaerken die elektronische Wechselwirkung zwischen dem Donor-Orbital des Farbstoffes und dem Leitungsband des Halbleiters. In dieser Arbeit wurden der kommerzielle Photosensibilisator (Bu4N)2[Ru(dcbpyH)2(NCS)2] sowie ein neuer Farbstoff [Ru(dcbpyH2)2(bpy-TPA2)](PF6)2 mit verschiedenen spektroskopischen Methoden charakterisiert. UV-VIS-Absorptionsexperimente zeigen bei beiden Farbstoffen solvatochrome Verschiebungen der elektronischen Uebergaenge auf Grund von Wasserstoffbrueckenbindungen sowie Donor-Akzeptor-Wechselwirkungen zwischen den Liganden und den Loesungsmittelmolekuelen. Die oberflaechenverstaerkten Raman-Spektren (SERS) der in Wasser, Ethanol und Acetonitril geloesten Farbstoffe wurden in kolloidalen Silber- und Goldloesungen gemessen. Die Analyse der Spektren ergibt, dass die Farbstoffe an die metallischen Nanoteilchen abhaengig vom Loesungsmittel in unterschiedlicher Weise adsorbiert sind. Weiterhin stellte sich heraus, dass in waessrigen Goldloesungen der Farbstoffe kein SERS-Signal zu Stande kommt und dass der SERS-Effekt in Ethanol-Goldloesungen sehr schwach ist. Deprotonierung, Wasserstoffbrueckenbindungen und Donor-Akzeptor-Wechselwirkungen scheinen dieses Verhalten hervorzurufen. Unsere Ergebnisse weisen auf die wichtige Rolle des Ladungstransfers beim SERS-Effekt hin. Ausserdem wurde die Adsorption der Farbstoffe auf zwei verschiedenen nanokristallinen TiO2-Substraten - Filmen aus Anatas-Paste und Anatas-Nanopulver - untersucht, um die Funktion der Carboxy-Gruppen im Bindungsprozess an der Oberflaeche des Halbleiters aufzufklaeren. Die aufgenommenen Spektren weisen auf eine starke Abhaengigkeit der Bindungskonfiguration von der Morphologie des Halbleiters hin.