Ζερβάκη Γαλάτεια

ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ

TMHMA ΧΗΜΕΙΑΣ

Υποψήφιος Διδάκτωρ

Ζερβάκη Γαλάτεια

Τίτλος Διδακτορικής Διατριβής

Βιομιμητικά, Υπερμοριακά συστήματα, σύνθεση και χαρακτηρισμός τους, για μετατροπή της ηλιακής ενέργειας

Επιβλέποντες

Μέλη Επιτροπής :

(1) Κουτσολέλος Αθανάσιος

(2) Μήλιος Κωνσταντίνος

(3) Ταγματάρχης Νικόλαος

Στοιχεία Διατριβής

Έναρξη Διδακτορικής Έρευνας : 10/02/2011

Ημερομηνία Υποστήριξης Διδακτορικής Έρευνας : 08/09/2015

Εγκεκριμένος Π/Υ: 45.000

Περίληψη

Η χλωροφύλλη στα φυτά είναι η δίοδος που η φύση χρησιμοποιεί για τη συγκομιδή του φωτός, αλλά και για τη διαδικασία μεταφοράς ηλεκτρονίων κατά τη φωτοσύνθεση. Η επιστημονική κοινότητα, εμπνευσμένη από την φυσική φωτοσύνθεση, εκμεταλλεύεται τις ιδιότητες χρωστικών για να σχεδιάσει τεχνητά συστήματα μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική ή και άλλες μορφές. Η συνεχής βελτίωση του σχεδιασμού και της αποτελεσματικότητας αυτών των τεχνητών συστημάτων ξεκινάει από την κατανόηση των βασικών αρχών των φωτοσυνθετικών διαδικασιών. Οι πορφυρίνες αποτελούν σημαντικό δομικό στοιχείο για την ανάπτυξη τέτοιων τεχνητών συστημάτων φωτομετατροπής, μιας και η ίδια η φύση τις χρησιμοποιεί στα φωτοσυνθετικά της κέντρα: η απλούστερη μονάδα του φυσικού φωτοσυνθετικού κέντρου θα μπορούσε να είναι ένα παράγωγο πορφυρίνης όπου ένας δότης ηλεκτρονίων και ένας δέκτης ηλεκτρονίων συνδέονται ομοιοπολικά ή αυτοσυναρμολογούνται μέσω ασθενών αλληλεπιδράσεων. Αποτελούν την πλέον καλύτερη επιλογή ως φωτοευαισθητοποιητές, λόγω των ιδιοτήτων τους, για τα οργανικά φωτοβολταϊκά συστήματα, και κυρίως για τα Ηλιακές Κυψέλες Ευαισθητοποιούμενης Χρωστικής (DSSC) ή σε υβριδικές ηλιακές κυψέλες. Δεν είναι τυχαίο το γεγονός ότι δύο δεκαετίες μετά την ανακάλυψη των DSSC, μία πορφυρίνη είναι η χρωστική που φέρει μια από τις υψηλότερες αποδόσεις (~ 13%) που έχουν αναφερθεί μέχρι τώρα.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζεται η σύνθεση νέων πορφυρινικών συμπλόκων, δυάδων και τριάδων, που δρουν ως φωτοευαισθητοποιητές για εφαρμογές σε ηλιακές κυψέλες. Η εργασία αποτελείται από τρία μέρη. Στο πρώτο μέρος αναφέρεται η σύνθεση μιας δυάδας πορφυρινών, όπου οι πορφυρίνες ενώνονται μεταξύ τους με εστερικό δεσμό. Η δυάδα φέρει ελεύθερο καρβοξυλικό άκρο, μέσω του οποίου προσδένεται πάνω σε νανοκώνο άνθρακα, σχηματίζοντας ένα νέο υβριδικό υλικό. Οι φωτοφυσικές και φωτοχημικές ιδιότητες του υλικού αυτού μελετώνται.

Το δεύτερο μέρος περιλαμβάνει τη σύνθεση νέων δυάδων πορφυρινών, όπου τα δομικά συστατικά έχουν ως συνδετικό κρίκο έναν δακτύλιο τριαζίνης. Οι δυάδες αποτελούνται από μεταλλωμένες με ψευδάργυρο πορφυρίνες, ή με μεταλλωμένες και «ελεύθερες βάσεις», καθώς επίσης, φέρουν, μία ή δύο, καρβοξυλικές ομάδες πρόσδεσης, για να αγκιστρωθούν πάνω στην επιφάνεια του ημιαγωγού της ηλιακής κυψέλης. Τέλος, θέλοντας να προστεθεί άλλο ένα χρωμοφόρο στη δομή του ευαισθητοποιητή, η σύνθεση νέων τριάδων πορφυρινών κυριαρχεί στο τρίτο κομμάτι της εργασίας: στις δύο από αυτές το τρίτο χρωμοφόρο είναι πορφυρίνη, αλλά η τρίτη αποτελείται από πορφυρίνη και BODIPY, τριάδα που απέφερε την καλύτερη απόδοση (6.20%), συγκριτικά με τις υπόλοιπες ενώσεις που αναφέρονται εδώ. Σε κάθε τριάδα, τα χρωμοφόρα ενώνονται μεταξύ τους μέσω του δακτυλίου της τριαζίνης καθώς, επίσης, φέρουν ένα ή δύο καρβοξυλικά οξέα ως ομάδες πρόσδεσης. Όλες αυτές τις ενώσεις χαρακτηρίζονται πλήρως και μελετώνται οι φωτοχημικές τους ιδιότητες, κατά την εφαρμογή τους σε ηλιακά κελιά.

Λέξεις κλειδιά

Υβριδικά υλικά, διμερή πορφυρινικά συστήματα, μετατροπή ηλιακής ενέργειας, φωτοβολταϊκά συστήματα, μεταφορά ηλεκτρονίων

Παραδοτέα - Δημοσιεύσεις

1. Pagona G.; Zervaki G. E.; Sandanayaka A. S. D.; Ito O.; Charalambidis G.; Hasobe T.; Coutsolelos A. G.; Tagmatarchis N., “Carbon Nanohorn–Porphyrin Dimer Hybrid Material for Enhancing Light-Energy Conversion” J. Phys. Chem. C 2012, 116, 9439−9449.

2. G. E. Zervaki, M. S. Roy, M. K. Panda,P. A. Angaridis, E. Chrissos, G. D. Sharma, A. G. Coutsolelos, “Efficient sensitization of dye sensitized solar cells (DSSCs) by novel triazine-bridged porphyrin-porphyrin dyads”, Inorg. Chem., 2013, 52 (17), pp 9813–9825.

3. G. E. Zervaki, E. Papastamatakis, P. A. Angaridis, M. Singh, R. Kurchania, T. N. Kitsopoulos, G. D. Sharma, A. G. Coutsolelos, “Propeller-shaped, triazine-linked porphyrin triads as efficient sensitizer for dye sensitized solar cells”, Eur. J. Inorg. Chem. 2014, 1020-1033.

4. G. E. Zervaki, P. A. Angaridis, E. N. Koukaras, G. D. Sharma, A. G. Coutsolelos, “Dye-sensitized solar cells based on triazine-linked porphyrin dyads containing one or two carboxylic acid anchoring groups”, Inorg. Chem. Front. 2014, 1, 256-270.

5. Sharma, G.; Zervaki, G.; Angaridis, P.; Kitsopoulos, T.; Papastamatakis, E.; Coutsolelos, A., “A Triazine-bridged Porphyrin Triad as Electron Donor for Solution-processed Bulk Heterojunction Organic Solar Cells”, J. Phys. Chem. C 2014, 118 (11), 5968–5977.

6. G. D. Sharma, G. E. Zervaki, P. A. Angaridis, G. Charalampidis, A. Vatikioti, K. S. V. Gupta, T. Gayathri, P. Nagarjuna, S. P. Singh, M. Chandrasekharam, A. Banthiya, K. Bhanuprakash, A. Petrou, A. G. Coutsolelos, “Stepwise co-sensitization as a useful tool for enhancement of power conversion efficiency of dye-sensitized solar cells: the case of an unsymmetrical porphyrin dyad and a metal-free organic dye”, Organic Electronics 15 (2014), 1324 – 1337.

7. G. D. Sharma, G. E. Zervaki, P. Aggaridis, A. G. Coutsolelos, “New solution processed bulk-heterojunction organic solar cells based on a triazine-bridged porphyrin dyad as electron donor”, RSC Adv., 2014, 4, 50819-50827.

8. G. D. Sharma, G. E. Zervaki, K. Ladomenou, E. N. Koukaras, P. P. Angaridis, A. G. Coutsolelos, “Donor-p-acceptor, triazine-linked porphyrin dyads as sensitizers for dye-sensitized solar cells”, J. Porphyrins Phthalocyanines, 2015, 19, 175-191.

9. G. E. Zervaki, A. Nikiforou, V. Nikolaou, G. D. Sharma, A. G. Coutsolelos, “Scorpion’’-shaped mono(carboxy)porphyrin-(BODIPY)2, a novel triazine bridged triad: synthesis, characterization and dye sensitized solar cell (DSSC) applications”, J. Mater. Chem. C, 2015, 3, 5652-5664.

10. G. D. Sharma, S. A. Siddiqui, A. Nikiforou, G. E. Zervaki, I. Georgakaki, K. Ladomenou, A. G. Coutsolelos, “A mono(carboxy)porphyrin-triazine-(bodipy)2 triad as a donor for bulk heterojunction organic solar cells”, J. Mater. Chem. C, 2015, 3, 6209-6217.

11. G. E. Zervaki, Vasilitsa Tsaka, Alexandra Vatikioti, Irene Georgakaki, Vasilis Nikolaou, G. D. Sharma, A. G. Coutsolelos, “Triazine di(carboxy)Porphyrin Dyad versus a Triazine di(carboxy) Porphyrin Triad for sensitizers in DSSC”, Dalton Transactions, 2015, 44, 13550.