Perbaikan Sifat Elektronik Dan Optik Senyawa Klorofil Sebagai Sensitizer Pada Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Dengan Pendekatan DFT-TDDFT

Faiz, Mohamad Rodhi and Prof. I.N.G. Wardana,, M.Eng., Ph.D. and Dr. Eng. Eko Siswanto,, S.T, M.T. and Prof. Dr. Eng. Denny Widhiyanuriyawan,, S.T., M.T. (2022) Perbaikan Sifat Elektronik Dan Optik Senyawa Klorofil Sebagai Sensitizer Pada Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) Dengan Pendekatan DFT-TDDFT. Doktor thesis, Universitas Brawijaya.

Abstract

Dye adalah bahan fotoaktif yang menentukan efektivitas pemanenan energi matahari pada Dye Sensitized Solar Cell (DSSC). Beberapa parameter performansi dye antara lain kemampuan absorbansi cahaya, kemampuan injeksi elektron, dan kemampuan regenerasi elektron, sangat tergantung pada struktur molekul zat pewarna tersebut. Geometri molekul yang dioptimalkan, level energi HOMO, LUMO, distribusi kerapatan elektron, celah energi, dan momen dipol diprediksi dalam keadaan dasar dan tereksitasi. Klorin dan porfirin sebagai molekul pembentuk klorofil, serta kompleks κ2O,O’ dengan Fe(II/III), diselidiki dengan Density Functional Theory (DFT) dan Time Dependent Density Functional Theory (TDDFT) menggunakan metode B3LYP dan basis set def2-TZVP. Muatan NPA juga dihitung untuk mengetahui valensi kation logam secara real. Secara umum, perhitungan menunjukkan bahwa kation logam dengan orbital d terisi elektron yang memiliki potensial oksidasi yang lebih rendah dari pada orbital ligan klorofil, yang menjadi penyebab atas munculnya pita serapan tambahan. Keadaan ini menghasilkan pelebaran pita yang efektif dan pergeseran ke arah spektrum inframerah dari spektrum absorbansi. Ini mengungkapkan bahwa dye tersebut dapat menjadi kandidat yang potensial sebagai sensitizer pada DSSC dengan penyerapan UV-Vis maksimal dalam wilayah spektrum visible. Persyaratan lain yang harus dipenuhi adalah level HOMO/LUMO harus kompatibel dengan potensial redoks I ˉ /I 3ˉ dan CB TiO 2 , kemampuan regenerasi elektron, kemampuan injeksi elektron, dan momen dipol yang cukup. Kompleks Fe(II) telah memenuhi persyaratan ini, kehadiran kation Fe(II) menggeser penyerapan energi terendah ke panjang gelombang yang lebih panjang karena partisipasi orbital logam d dalam eksitasi, yang terutama dikaitkan dengan transisi MLCT. Lebih lanjut, dye kompleks Fe(III) tidak cocok untuk DSSC karena kemampuan injeksi elektronnya yang rendah. Namun, pada penelitian ini ditemukan ligan non-innocence berupa ligan kation radikal yang dapat mengubah keadaan trivalen menjadi divalen. Ini menjadi sebab munculnya extra hole dan spektrum serapan yang lebih luas daripada kompleks Fe(II). Banyak penelitian eksperimen telah berhasil meningkatkan kinerja DSSC dengan menambahkan ion Fe(III). Hal ini dimungkinkan disebabkan oleh ligan non-innocence tersebut. Dengan demikian, kompleks Fe(III) ini juga dapat dijadikan sebagai kandidat yang menarik untuk sensitizer pada DSSC dan penelitian ini memberikan kesempatan untuk riset lanjutan pada kompleks Fe(III) untuk lebih memahami mekanisme dan mengungkap alasan di balik fakta yang diberikan

English Abstract

Dye is photoactive material that determines the effectiveness of harvesting solar energy in dye-sensitized solar cells (DSSCs). The dye performances, such as light absorption, electron injection, and electron regeneration, depending on the dye molecule structure. The optimized molecule geometry, HOMO level, LUMO level, electron density distribution, energy gaps, and dipole moment are predicted in the ground and excited state. Chlorophyll-related chlorin and porphyrin, as well as their κ2O,O’ complexes with Fe(II/III), were investigated with density functional theory (DFT) and time-dependent density functional theory (TD-DFT) computations using the B3LYP method and def2-TZVP basis set. NPA charges also were calculated to know the valence of the metal cations exactly. In general, the calculations show that the metal cations introduced occupied d orbitals with lower oxidation potentials than the chlorophyll ligand orbitals, which are responsible for the emergence of additional absorption bands. The states result in effective band broadening and the redshift of spectrum absorbance. It reveals that the dyes are potential candidates for the sensitizer in DSSCs with UV-Vis absorption maxima well within the visible region. Another requirement that has to be possessed are HOMO/LUMO levels compatible with the redox potential of Iˉ/I 3ˉ and the CB of TiO 2 respectively, the enough ability of electron regeneration, electron injection, and dipole moment. The Fe(II) complex has fulfilled these requirements, The presence of the Fe(II) cation shifts the lowest energy absorption to longer wavelengths owing to the participation of the metal d orbitals in the excitations, which are mainly attributed to MLCT transitions. Furthermore, Fe(III) complex dyes are unsuitable for DSSC because of their low electron injection ability. However, the work found a non-innocence ligand with the ligand radical cation that can convert trivalent to divalent states. It leads to having an extra hole and a broader absorption spectrum than Fe(II) complex. Many research experiments have succeeded in increasing the performance of DSSC by adding Fe(III) ions. It could be due to the non- innocence ligand during the synthesis that affects the type of bond as well as the ability of the electron injection. Thus, it can be considered an attractive candidate for the sensitizer in DSSC and this manuscript provides an opportunity for future work on Fe(III) complexes in order to understand the mechanism and reasons behind the given facts.

Item Type:	Thesis (Doktor)
Identification Number:	0622070012
Uncontrolled Keywords:	Klorofil, DSSC, DFT, MLCT, orbital d, ligan non-innocence, ligan kation radikal. .- Chlorophyll, DSSC, DFT, MLCT, d orbital, non-innocence ligand, ligand radical cation.
Subjects:	600 Technology (Applied sciences) > 621 Applied physics > 621.8 Machine engineering
Divisions:	S2/S3 > Doktor Teknik Mesin, Fakultas Teknik
Depositing User:	PKN 02 UB
Date Deposited:	09 Jun 2023 02:45
Last Modified:	09 Jun 2023 02:45
URI:	http://repository.ub.ac.id/id/eprint/201271

Text (DALAM MASA EMBARGO) moh rodhi Faiz.pdf Restricted to Registered users only until 31 December 2024. Download (12MB)

Actions (login required)

View Item