Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / Complexos de bipiridinas de rutÃnio sÃo bastante estudados na literatura por apresentarem propriedades de interesse em diversas Ãreas como estudos fotoquÃmicos e fotofÃsicos, aplicaÃÃo em sistemas biolÃgicos e como fotosensibilizadores em cÃlulas solares. No presente trabalho, os complexos do tipo cis-[Ru(bpy)(dcbH2)(L)Cl], onde L = Azul do Nilo (NB), Azul de Toluidina (TBO), 9-Aminoacridina (9AA), Azure B (AB) e Violeta de Cresila (VC) foram sintetizados e caracterizados por tÃcnicas espectroscÃpicas e eletroquÃmica para aplicaÃÃo em cÃlulas solares sensibilizadas por corante (DSCs). AlÃm destes, o complexo cis-[Ru(dcbH2)(bpy)(TCNE)Cl] (Ru-TCNE) tambÃm foi testado como sensibilizador em DSC. Estes compostos apresentaram bandas de transferÃncia de carga do tipo MLCT na regiÃo do visÃvel e potenciais redox termodinamicamente favorÃveis para as reaÃÃes de transferÃncia de carga que ocorrem no dispositivo fotoeletroquÃmico. A adsorÃÃo quÃmica dos complexos sensibilizadores na superfÃcie do TiO2 foi evidenciada pelo deslocamento das bandas de MLCT para regiÃes de menor energia quando comparadas aos espectros em soluÃÃo. Os desempenhos fotovoltaicos dos complexos como sensibilizadores em DSC foram avaliados atravÃs das curvas corrente versus potencial, obtidas em condiÃÃes padrÃo AM 1,5. As DSCs contendo os sensibilizadores Ru-TBO e Ru-AB apresentaram os menores desempenhos fotovoltaicos com eficiÃncia global de 0,02 e 0,06%, respectivamente. JÃ as cÃlulas solares sensibilizadas pelos corantes Ru-NB e Ru-VC obtiveram um rendimento de 0,11% com baixos valores de eficiÃncia de incidÃncia de conversÃo de fÃtons a corrente, IPCE. Os melhores resultados foram para as cÃlulas contendo os corantes Ru-9AA e Ru-TCNE, as quais apresentaram rendimentos de 0,54 e 2,01%, respectivamente, com valores de IPCE iguais a 10% para Ru-9AA e 48% para Ru-TCNE. Todos os complexos apresentaram eficiÃncia global de conversÃo de energia solar em elÃtrica inferiores ao complexo padrÃo N3. / Bipyridines ruthenium complexes are widely studied in the literature for presenting interesting properties in various fields such as photochemical and photophysical studies, applications in biological systems and as photosensitizers in solar cells. In this work, the complexes of the type cis-[Ru(bpy)(dcbH2)(L)Cl], where L = Nile blue (NB), Toluidine blue (TBO), 9-aminoacridine (9AA), Azure B (AB) and Cresyl Violet (VC) were synthesized and characterized by spectroscopic and electrochemical techniques for application in dye-sensitized solar cells (DSC). In addition, the complex cis-[Ru(dcbH2)(bpy)(TCNE)Cl] (Ru-TCNE) was also tested as a sensitizer DSC. These compounds showed bands of charge transfer type MLCT in the visible region and thermodynamically favorable redox potentials for the charge transfer reactions which occur in the photoelectrochemical device. The adsorption of the chemical sensitizers complexes on the surface of TiO2 was evidenced by displacement of MLCT bands to lower-energy when compared to the spectra in solution. The photovoltaic performances of the complexes as sensitizers in DSC were evaluated through current versus potential curves obtained in standard AM 1.5 conditions. The DSC sensitizers containing Ru-TBO and Ru-AB had the lowest overall efficiency with photovoltaic performances of 0.02 and 0.06%, respectively. As for the dye-sensitized solar cells by Ru-NB and Ru-VC obtained a yield of 0.11% with low efficiency values of incident conversion of photon to current, IPCE. The best results were for cells containing the dyes Ru-9AA and Ru-TCNE, with energy conversion efficiency of 0.54 and 2.01%, respectively, with IPCE values equal to 10% for Ru-9AA and 48% for Ru-TCNE moieties. All complexes showed overall efficiency of converting solar energy into electricity below the N3 complex pattern.

Orientadora: Profa. Dra. Paula Homem de Mello / Tese (doutorado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia/Química, 2017. / Pesquisas sobre dispositivos fotovoltaicos têm como objetivo aumentar sua eficiência, durabilidade e baixar seus custos de fabricação. Entre os dispositivos fotovoltaicos estão as células solares sensibilizadas por corantes (DSSC). Sendo o corante um dos parâmetros mais estudados e importantes das DSSC, este trabalho teve como objetivo principal estudar, utilizando métodos de química computacional, as propriedades eletrônicas de alguns corantes baseados em complexos de rutênio(II). Neste trabalho, as propriedades eletrônicas do N3 (cis-Ru[(dcbH2)2(NCS)2], dcbH2 = ácido 2,2¿-bipiridina-4,4¿-dicarboxílico), foram calculadas e comparadas com isômeros do N719 (N3 duplamente desprotonado) e com corantes mono (mMS) e dimetil substituídos (dMS), em relação aos grupos carboxílicos do N3. Os resultados sugerem que os isômeros do N719 se encontram em equilíbrio à temperatura ambiente. Os grupos mMS, dMS e desprotonados derivados do N3 apresentam menores energias de oxirredução, quando o metil ou o carboxilato, respectivamente, estão localizados em oposição à bipiridina. A correlação com dados experimentais dos corantes N3, C101, N945 e K19 sugere que as diferenças de energias de orbitais e grupos doadores/aceptores afetam a eficiência da DSSCs. Para ter um parâmetro de comparação entre os níveis de energia eletrônicos do corante e as bandas do semicondutor, foi realizado o cálculo de TD-DFT para o cluster Ti42O77H18. O estudo metodológico para verificar o efeito de diferentes funcionais e da inclusão do efeito do solvente na obtenção do espectro eletrônico de absorção mostrou que podem ocorrer variações significativas. Os funcionais M06 e B3LYP se mostraram bastante adequados para a previsão do gap HOMO-LUMO, mas para a previsão do espectro como um todo, o funcional CAM-B3LYP é o mais adequado para os complexos de rutênio(II) aqui estudados. / Research on photovoltaic devices aims to increase their efficiency and durability, as well as lower their manufacturing costs. Among the photovoltaic devices, there are the dyes-sensitized solar cells (DSSC). The dye is one of the most studied and important parameter of DSSC; so, in this work, we had as main objective to study, using computational chemistry methods, the electronic properties of some dyes based on ruthenium(II) complexes. In this work, the electronic properties of N3 (cis-Ru[(dcbH2)2(NCS)2], dcbH2 = 2,2'-bipyridine-4,4'-dicarboxylic acid) were calculated and compared with N719 isomers (N3 double-deprotonated), mono (mMS) and dimethyl substituted (dMS) dyes. The results suggest that N719 isomers are in equilibrium at room temperature. The mMS, dMS and deprotonated N3-derived groups exhibit lower oxidation energy when methyl or carboxylate, respectively, are located in opposition to bipyridine group. Correlation with experimental data of N3, C101, N945 and K19 dyes suggest that differences in orbital energies and donor / acceptor groups affect the efficiency of DSSCs. In order to establish a comparison parameter between the electronic energy levels of the dye and the semiconductor bands, the calculation of TD-DFT for the Ti42O77H18 cluster was performed. The methodological study to verify the effect of different functionals and the inclusion of the solvent effect in obtaining the electronic spectrum showed that significant variations can occur. M06 and B3LYP functionals are recommended to estimate HOMO-LUMO gap, but CAM-B3LYP functional is the most suitable for the prediction of the whole spectrum characteristics for the ruthenium(II) complexes studied here.

Made available in DSpace on 2016-12-08T17:19:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Guilherme Forbeck.pdf: 6226510 bytes, checksum: 7f238f7600472963b75dd6e2ce64f9e5 (MD5) Previous issue date: 2012-08-30 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Photovoltaic solar energy is an interesting way of generating electricity in light because of its low environmental impact, particularly for on-grid application in order to mitigate BOS (balance of system: batteries, etc) costs. The method of operation of the solar cell does not generate environmental impact, but their production does, especially when high-purity materials are used, such as solar grade silicon (SoG-Si: 99,9999% or 5N). Dye-sensitized solar cells (DSCs) are an interesting option since they are based on metal oxides as semiconductor materials. Titanium dioxide (TiO2) in its anatase polymorphic crystalline phase, presents interesting properties, such as a wide bandgap to minimize photocorrosion issues, high refractive index and high dielectric constant. In this work, nanocrystalline TiO2, predominantly in its anatase crystalline phase, was prepared by the sol-gel process under acid medium. Peptization was carried out at room temperature. Porous layers were deposited onto transparent conducting oxide substrates from powder TiO2 samples. A commercial TiO2 powder sample (P25, Evonik) was used as a reference. Different heat treatment times for the powder TiO2 samples and also for the porous TiO2 layers were studied. In order to analyze the influence of heating time on the morphological e crystalline structure of the resulting porous TiO2 layers, photoelectrodes were characterized by scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), surface area analysis (BET) and X-ray diffraction (DRX). DSCs were assembled from photoelectrodes produced by using different powder samples and their characteristic current-voltage (I-V) curves were measured. Nanosized crystallites were predominant in all studied batches. The average particle size increased under increasing heating time, especially for powders submitted to a heating time of 120min. The heat treatment at 450°C for 30 min provided powder samples endowed with higher crystallinity, but a lower anatase content. The anatase content was reflected in the power energy conversion efficiency (η) of the DSCs, which provides evidence for the importance of the heat treatment of 450°C for 30min on the dependent variable (η). / A energia solar fotovoltaica e uma forma interessante de obtencao de energia eletrica por apresentar baixo impacto ambiental. Quando utilizada na geração distribuida, permite reduzir custos com balanco do sistema (baterias, etc). O processo de operacao das celulas solares nao gera impacto ambiental, mas sua producao sim, em funcao da utilizacao de materiais de elevado grau de pureza, como o silicio grau solar (SoG-Si: 99,9999% ou 5N). As celulas solares sensibilizadas por corante (CSSCs) sao uma opcao interessante, pois utilizam um um oxido metalico como material semicondutor. O dioxido de titanio (TiO2), em sua fase polimorfica anatase, apresenta propriedades interessantes, tais como separacao entre bandas adequada para dificultar a corrosao, elevado indice de refracao e alta constante dieletrica. Neste trabalho, foram produzidos pos de dióxido de titanio nanocristalino pelo metodo sol-gel em ambiente acido, com peptizacao em temperatura ambiente. Diferentes tempos de tratamento termico dos pos foram estudados. Camadas porosas foram depositadas sobre substratos condutores transparentes a partir de amostras de TiO2 em po. Uma amostra de TiO2 comercial (P25, Evonik) foi utilizada como referencia. Diferentes tempos de tratamento térmico destas camadas porosas tambem foram estudados. Com o objetivo de observar a influencia do tempo de aquecimento nos materiais resultantes, os fotoeletrodos foram caracterizados por microscopia eletronica de varredura (MEV), microscopia de forca atomica (AFM), analise de area superficial (BET) e difracao de raios-X (DRX). As CSSCs foram montadas a partir dos fotoeletrodos produzidos com os diferentes pos e suas propriedades eletricas foram avaliadas atraves da curva característica corrente tensao (I V). Cristalitos nanometricos predominaram em todos os lotes estudados. O tamanho medio de particula aumentou com o aumento no tempo de aquecimento, especialmente para amostras em po submetidas a um tempo de aquecimento de 120min. As amostras apresentaram tambem um aumento na cristalinidade e uma reducao no teor da fase anatase apos tratamento termico a 450°C. As CSSCs apresentaram eficiencias compativeis com o teor de anatase presente nas amostras, evidenciando que o tempo de aquecimento no patamar de 450°C e significativo para a variavel resposta eficiencia de conversao energetica.

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / The electronic properties of push-pull substituted, zinc(II) (ZnPc), aluminum(III) (AlPc), and ruthenium(II) (RuPc), metal-phthalocyanine derivatives, presenting two electron donating groups (diethylamine) and two electron withdrawing groups (carboxylic) was studied using the Density Functional Theory (DFT) with B3LYP exchange-correlation functional in the vacuum and under the presence of solvent (DMSO), aiming their application in dye-sensitized solar cells (DSSC). For the excited states, the time-dependent approach of DFT (TD-DFT) was applied. In the transition for the excited state it was evidenced a charge transfer from donor to acceptor groups which results in large electronic rearrangement inducing the bathochromism when adding DMSO (a polar solvent). This electronic transfer is directed to the acceptor groups (benzoic groups), mainly in RuPc molecule, which enables bigger probability in the electronic injection into the semiconductor s conduction band. HOMO s energy to the ZnPc and AlPc are sufficiently below the redox potential of the electrolyte and LUMO s energy, in all compounds, is above the conduction band of the oxide. Those push-pull molecules present panchromism, important for the application of these compounds in DSSC since they can absorb photons in a large range of energies. NBO analysis suggests that the ruthenium presents strong coordination with the nitrogen atoms of the macrocycle, which allows a larger participation of this metal in the electronic transition. The ionization energy and electron affinity were calculated aiming to quantify the energetic barrier in the electron gain / loss. / As propriedades eletrônicas de derivados de ftalocianinas metaladas push-pull de zinco(II) (FtZn), alumínio(III) (FtAl) e rutênio(II) (FtRu) apresentando dois grupos doadores de elétrons (N,N-dietilanilina) e dois grupos retiradores de elétrons (ácido benzóico), foram estudadas usando a teoria do funcional de densidade (DFT) com o funcional híbrido B3LYP na presença do solvente (DMSO) e no vácuo, visando sua aplicação em células solares sensibilizadas por corante (CSSC). Para a descrição dos estados excitados usou-se a extensão dependente do tempo da DFT (TD-DFT). Na transição para o estado excitado destes compostos há uma transferência de carga dos grupos doadores para os grupos aceptores, que resulta em rearranjo eletrônico induzindo o efeito batocrômico observado com a adição de DMSO. Essa transferência eletrônica está direcionada para o grupo aceptor (grupo benzóico), principalmente na FtRu, que possibilita uma maior probabilidade na injeção eletrônica na banda de condução do semicondutor. A energia do HOMO para a FtZn e FtAl estão suficientemente abaixo do potencial redox do eletrólito e o LUMO, em todos os compostos, está acima da banda de condução do TiO2. Essas moléculas push-pull apresentam pancromismo, importante para a aplicação destes compostos em CSSC uma vez que podem absorver fótons de diferentes energias. Análises NBO sugerem que o rutênio apresenta forte coordenação com os nitrogênios do macrociclo que possibilita grande participação deste metal nestas transições eletrônicas. As energias de ionização e eletroafinidades foram calculadas com o objetivo de quantificar a barreira energética no ganho/perda de um elétron. / Mestre em Química

Orientador: Prof. Dr. André Sarto Polo / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Nanociências e Materiais Avançados, 2017. / Compostos polipiridínicos de rutênio(II) apresentam características favoráveis para serem utilizados em processos de conversão de energia solar, como a ampla e intensa absorção de luz na região visível. A engenharia molecular permite a sintonização dos níveis de energia destes complexos para que possam executar funções úteis com mais eficiência. Os compostos tris-heterolépticos de rutênio(II) são muito interessantes neste sentido, pois permitem avaliar como a utilização de diferentes ligantes altera as suas propriedades globais e permite modular seus níveis de energia. O presente trabalho insere-se nesse contexto, avaliando como grupos doadores ou retiradores de elétrons influenciam a cinética de formação, as propriedades químicas e o desempenho fotoeletroquímico em células solares sensibilizadas por corante (DSSCs - Dye-Sensitized Solar Cells) desse tipo de composto. É descrita a investigação da cinética de formação dos compostos cis- [Ru(R-phen)(dcbH2)(NCS)2], dcbH2 = ácido- -dicarboxílico- -bipiridina, avaliada de maneira a racionalizar o efeito do substituinte R nas posições 4 e 7 da 1,10- fenantrolina nas velocidades das reações e na distribuição dos isômeros de ligação. Também são descritas a síntese, purificação e caracterização dos compostos cis- [Ru(R-phen)(dcbH2)Cl2] e cis-[Ru(R-phen)(dcbH2)(NCS)2] e as mudanças observadas em suas propriedades espectroscópicas e eletroquímicas são discutidas em função dos diferentes substituintes da 1,10-fenantrolina. Os compostos cis- [Ru(R-phen)(dcbH2)(NCS)2] também foram usados como corantes sensibilizadores em DSSCs e a partir de experimentos fotoeletroquímicos os resultados foram interpretados relacionando-se a natureza do ligante R-phen e os processos que ocorrem nas células solares. Observou-se que mesmo pequenas mudanças estruturais nos ligantes R-phen podem acarretar em grandes mudanças nas propriedades e na formação dos compostos que funcionalizam nanomateriais como o TiO2. / Ruthenium(II) polypyridyl compounds have favorable characteristics for their use in solar energy conversion processes, such as their wide and intense light absorption in the visible region of the spectrum. Molecular engineering allows the tuning of the energy levels of these compounds in order to perform useful functions more efficiently. Ruthenium(II) tris-heteroleptic compounds are very interesting in this field since they can be employed to evaluate how changing the ligands modify their global properties and modulate their energy levels. This work aims to evaluate the influence of electron donating or withdrawing groups on the formation kinetics, chemical properties and photoelectrochemical performance of this type of compound in Dye- Sensitized Solar Cells (DSSCs). The investigation of the formation kinetics of cis- [Ru(R-phen)(dcbH2)(NCS)2] compounds, dcbH2 -dicarboxylic acid- - bipyridine, is described and evaluated in order to rationalize the effect of the R substituent on 4 and 7 positions of 1,10-phenanthroline on reaction rates and linkage isomer distribution. The synthesis, purification and characterization of the compounds cis-[Ru(R-phen)(dcbH2)Cl2] and cis-[Ru(R-phen)(dcbH2)(NCS)2] are also described and changes observed in their spectroscopic and electrochemical properties are discussed in terms of the different substituents of 1,10-phenanthroline. The cis- [Ru(R-phen)(dcbH2)(NCS)2] compounds were also employed as dye-sensitizers in DSSCs and from photoelectrochemical experiments the results were interpreted correlating the R-phen ligand structure and processes which occur in solar cells. It was observed that even small structural changes in R-phen ligands can result in wide changes in properties and formation of the compounds that functionalize nanomaterials such as TiO2.