Towards iron carbene based dye sensitized solar cells: Synthesis of heteroleptic, donor-acceptor complexes

Abstract

Syntheses of novel homo- and heteroleptic iron(II) N-heterocyclic carbene complexes have been pursued. The heteroleptic complexes contain donor-acceptor structures meant to enhance their sensitization activity when operating as a part in a dye sensitized solar cell by slowing down charge recombination.
Syntheses of two related heteroleptic complexes were completed but require additional characterization. Another heteroleptic, donor-acceptor complex with a more extensive p- system has been designed and the synthesis of said complex was started but not finished.

Popular Abstract (Swedish)

I takt med att det globala samhället blir större och större och mer och mer utvecklat, kräver mänskligheten mer energi. Idag kommer mycket energi runt om i världen från kol, olja och naturgas, så kallade icke-förnybara energikällor. Dessa är begränsade resurser som kommer att ta slut om vi använder dem ens i närheten av den utsträckning vi gör idag. Dessutom bidrar deras användning till en ökad växthuseffekt. Detta gör att vi behöver nya och förnybara sätt att alstra energi på. En potentiellt nära obegränsad energikälla är solen. Solstrålarna som når jorden på en timme bär med sig lika mycket energi som hela mänskligheten gör av med på ett helt år.1 Det svåra är att ta tillvara på all denna energin. För att göra detta har vi redan en rad olika solfångarteknologier. Dessa tekniker har dock problemen att de ofta är dyra eller ineffektiva. Ett alternativ skulle kunna vara att man försöker använda sig av molekyler som kan fånga energi helt av sig själva.
Alla molekyler byggs upp av atomer runt vilka elektroner flyger runt. Beroende på hur molekylen ser ut och vilken sorts atomer som finns i den så finns det ett antal speciella nivåer som elektronerna kan befinna sig på, som stegen i en trappa. Det får bara plats några få elektroner på varje trappsteg. Elektroner har i sin natur att rulla neråt i trappan så om det finns plats på ett trappsteg på lägre steg än en elektron befinner sig på, kommer den snart att rulla ner och lägga sig i utrymmet på det lägre steget. Så länge molekylen får vara ostörd kommer elektronerna därför rada upp sig, snyggt och prydligt, först på det lägsta steget och sedan uppåt i trappan tills det inte finns några elektroner kvar fylla på med.
En ljusstråle som kommer till molekylen har med sig energi. Om det är tillräckligt med energi och trappstegen inte är för höga kan en elektron ta energin och använda den för att klättra ett steg eller två uppåt i trappan. Oftast är detta en elektron som redan är långt upp i trappan eftersom trappstegen brukar bli lägre ju längre upp man kommer. När elektronen har klättrat upp så har den dock problem. Den har ju lämnat efter sig en tom plats på ett lägre steg i trappan som den nu har en tendens att rulla tillbaka ner till igen. Om ingen annan utväg skulle uppenbara sig så är det precis det som händer och energin det tog att klättra upp i trappan kommer inte till nån användning.
Men andra saker kan hända. Andra molekyler som kanske finns i närheten har också helt egna elektrontrappor. Kanske har dessa trappsteg med plats som är lägre än steget vår klättrande elektron är på. Om det inte allt för krångligt kan elektronen bestämma sig för att rulla över och ner till platsen i den andra trappan. Om man vill bygga en solfångare med en sådana här molekyler kan man till och med gör så att elektronen måste genom en elledning för att komma över till den andra trappan. Elektroner som går genom en ledning är elektrisk ström och när elektronen byter trappa så skapas alltså elektricitet.
Allt detta är dock lättare sagt än gjort. I många molekyler är trappstegen alldeles för höga för att ens det allra energirikaste ljuset ska vara nog för att elektronerna ska lyckas klättra ett enda trappsteg. Detta gör att molekylerna måste designas på speciella sätt för att få trappor med tillräckligt låga trappsteg. Men även om man lyckas få elektronerna uppåt i trappan är utmaningarna inte över. Oftast är det mycket enklare att bara rulla ner för den egna trappan än att byta till en annan. Därför måste molekyldesignen också innefatta placeringen av hinder för att rulla ner i trappan. Samtidigt ska det helst göras enklare att ta sig över till en annan molekyls trappa för att övertala elektronerna att ta den vägen som alstrar ström.
Att få allt detta att funka utan att använda dyra metaller är fortfarande svårt. I mitt arbete har jag hjälpt till med försök att använda järn för att få allt detta att funka. Järn har helt okej trappstegshöjd men det är för lätt att rulla ner för trappan. Med hjälp att speciella strukturer runt järn är förhoppningen att bromsa farten neråt. Samtidigt ska molekylen förlängas med andra speciellt designade strukturer som ska hjälpa elektronen över till en elledning och över i en annan molekyls trappa.

• author: Persson, Samuel
• supervisor: Kenneth Wärnmark
• organization: Department of Chemistry
• course: KEMR31 20191
• year: 2019
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Chemistry
• keywords: organisk kemi, organic chemistry, solar harvesting, iron carbene, dye sensitized solar cells
• language: English
• id: 8991204
• date added to LUP: 2019-08-19 13:49:13
• date last changed: 2019-08-19 13:49:13