무산다 에리스로필라(Mussaenda erythrophylla)에서 추출한 염료용 천연 감작제

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13844(2023) 이 기사 인용

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본 연구에서는 에탄올과 탈이온수에서 별도로 추출한 Mussaenda erythrophylla 꽃의 천연 염료를 DSSC의 감광제로 사용했습니다. 두 추출물 모두에 대해 정량적 식물화학적 분석을 수행했습니다. 염료의 에탄올 추출물에 플라보노이드(안토시아닌)와 엽록소 a 색소의 존재가 UV-Visible 분광학을 통해 확인되었습니다. 상기 에탄올 추출물에 대해 수행된 안정성 연구는 에탄올에서 추출된 염료가 어둠 속에서 안정하고 거의 50일 동안 분해되지 않음을 확인했습니다. 염료 분자의 존재와 P25-TiO2 표면에서의 균일한 흡착은 각각 푸리에 변환 적외선 분광법과 원자력 현미경을 통해 확인되었습니다. 또한, 염료의 광학 특성에 대한 염료 농도 및 pH의 영향도 연구되었습니다. 에탄올에서 추출된 천연 염료는 DSSC에 사용되었으며, 상기 염료 감응형 P25-TiO2 광양극 \({I}^{-}\)/\({I}_{3}^{-}\)을 활용하여 제작되었습니다. 전해질 및 Pt 상대전극. 제작된 장치의 광전지 성능은 AM 1.5 필터를 사용하여 100mWcm-2의 강도로 시뮬레이션된 조사 하에서 결정되었습니다. pH = 5의 에탄올에서 추출된 염료에 의해 감응된 P25-TiO2 광양극으로 제작된 장치는 0.98 mAcm-2의 JSC에서 0.41%의 최고의 전력 변환 효율(PCE)을 나타냈으며 이는 최적의 광 흡수에 기인할 수 있습니다. 추출된 천연 염료의 엽록소 a와 안토시아닌 분자에 의한 태양 스펙트럼의 가시 영역.

염료감응형 태양전지(DSSC)는 낮은 생산 비용과 환경 친화적인 작동으로 인해 수년 동안 전 세계적으로 주목을 받아 왔습니다. DSSC의 작동 원리는 자연적인 과정인 광합성과 유사합니다. 여기서 이 장치는 흡수된 햇빛을 전기 에너지로 변환하여 에너지를 생성할 수 있습니다. 일반적으로 DSSC는 메조다공성 금속산화물 반도체, 염료감응제, 요오드화물 및 삼요오드화물 이온을 함유한 전해질, 상대전극으로 구성된다1. DSSC에서 감광제는 햇빛을 모아 전기 에너지로 변환하는 데 중요한 역할을 합니다. 수많은 금속 착물과 유기 염료가 합성되어 증감제로 활용되었습니다. 그러나 루테늄 기반 합성 유기 염료는 효과적인 증감제로 밝혀졌습니다. 지금까지 Ru 기반 N719 염료에 의해 감작된 DSSC에 대해 11% 이상의 가장 높은 효율이 보고되었습니다2. 그러나 금속 복합체의 준비 경로는 지루하고 비용이 많이 드는 크로마토그래피 정제 절차를 포함하는 다단계 절차를 기반으로 하는 경우가 많습니다3. 합성 유기염료를 엽록소, 안토시아닌 등의 천연색소로 대체하면 식물의 열매, 잎, 뿌리, 꽃 등에서 쉽게 추출할 수 있어 위와 같은 한계점을 해결할 수 있을 것으로 기대된다.

일반적으로 식물의 많은 부분에는 엽록소와 안토시아닌 색소가 포함되어 있습니다. 엽록소는 녹색 식물에서 가장 풍부한 색소이며 각 엽록소 분자는 4개의 피롤 고리로 둘러싸인 Mg2+ 이온을 가지고 있으며, 그 중 하나는 피톨 꼬리에 결합되어 있습니다4. 엽록소 분자는 빛을 흡수하는 특성으로 인해 광수용체로 설명됩니다. 엽록소에는 엽록소 a와 엽록소 b라는 두 가지 유형이 있으며 피롤 고리 중 하나의 C3 위치에서 구조가 다릅니다. 엽록소 b의 피롤 고리의 C3 위치에는 포르밀(-CHO) 측쇄가 포함되어 있는 반면, 엽록소 a5의 동일한 위치에는 메틸(-CH3) 그룹이 존재합니다. 서로 다른 치환기가 존재하기 때문에 엽록소 a와 엽록소 b 분자는 다양한 광 흡수 특성을 나타냅니다. 따라서 엽록소는 가시 스펙트럼의 파란색, 빨간색 및 보라색 영역에 해당하는 넓은 파장 범위의 빛을 흡수합니다6. 안토시아닌은 꽃과 과일 꽃잎의 다양한 색상을 담당하는 또 다른 색소입니다. 안토시아닌을 DSSC용 ​​염료로 사용하면 태양 스펙트럼의 청록색 영역에서 빛을 흡수하게 되며 안토시아닌 분자에 존재하는 카르보닐 및 수산기는 TiO2 표면(광전극)에 효율적으로 고정되어 효과적인 전자 주입 메커니즘을 가능하게 합니다. DSSC8.