Polymer‐Based Ruthenium(II) Polypyridyl Chromophores on TiO2 for Solar Energy Conversion

光电流 光化学 色素敏化染料 材料科学 发色团 化学 光电子学 物理化学 电解质 电极 有机化学 催化作用
作者
Gyu Leem,Zachary A. Morseth,Kyung‐Ryang Wee,Junlin Jiang,M. Kyle Brennaman,John M. Papanikolas,Kirk S. Schanze
出处
期刊:Chemistry-an Asian Journal [Wiley]
卷期号:11 (8): 1257-1267 被引量:27
标识
DOI:10.1002/asia.201501384
摘要

A polychromophoric light-harvesting assembly featuring a polystyrene (PS) backbone with ionic carboxylate-functionalized Ru(II) polypyridyl complexes as pendant groups (PS-Ru-A) was synthesized and successfully anchored onto mesoporous structured TiO2 films (TiO2 //PS-Ru-A). Studies of the resulting TiO2 //PS-Ru-A films carried out by transmission electron microscopy (TEM), scanning electron microscopy (SEM), and atomic force microscopy (AFM) confirmed that the ionic carboxylated Ru(II) complexes from PS-Ru-A led to the surface immobilization on the TiO2 film. Monochromatic light photocurrent spectroscopy (IPCE) and white light (AM1.5G) current-voltage studies of dye-sensitized solar cells using the TiO2 //PS-Ru-A photoanode give rise to modest photocurrent and white light efficiency (24 % peak IPCE and 0.33 % PCE, respectively). The photostability of surface-bound TiO2 //PS-Ru-A films was tested and compared to a monomeric Ru(II) complex (TiO2 //Ru-A), showing an enhancement of ∼14 % in the photostability of PS-Ru-A. Transient absorption measurements reveal that electron injection from surface-bound pendants occurs on the picosecond time scale, similar to TiO2 //Ru-A, while time-resolved emission measurements reveal delayed electron injection occurring in TiO2 //PS-Ru-A on the nanosecond time scale, underscoring energy transport from unbound to surface-bound complexes. Additionally, charge recombination is delayed in PS-Ru-A, pointing towards intra-assembly hole transport to complexes away from the surface. Molecular dynamics simulations of PS-Ru-A in fluid solution indicate that a majority of the pendant Ru(II) complexes lie within 10-20 Å of each other, facilitating efficient energy- and charge transport among the pendant complexes.

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