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Interfacial charge separation and photovoltaic efficiency in Fe(ii)–carbene sensitized solar cells

Authors :
Xavier Assfeld
Mariachiara Pastore
Antonio Monari
Thibaut Duchanois
Stefan Haacke
Philippe C. Gros
Li Liu
Structure et Réactivité des Systèmes Moléculaires Complexes ( SRSMC )
Université de Lorraine ( UL ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS )
Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg ( IPCMS )
Université de Strasbourg ( UNISTRA ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Matériaux et nanosciences d'Alsace
Université de Strasbourg ( UNISTRA ) -Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar ( Université de Haute-Alsace (UHA) ) -Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale ( INSERM ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Université de Strasbourg ( UNISTRA ) -Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar ( Université de Haute-Alsace (UHA) ) -Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale ( INSERM ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Réseau nanophotonique et optique
Université de Strasbourg ( UNISTRA ) -Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar ( Université de Haute-Alsace (UHA) ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Université de Strasbourg ( UNISTRA )
ANR-10-IDEX-0002-02/11-LABX-0058,NIE,Nanostructures en Interaction avec leur Environnement ( 2010 )
Structure et Réactivité des Systèmes Moléculaires Complexes (SRSMC)
Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Lorraine (UL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg (IPCMS)
Université de Strasbourg (UNISTRA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Matériaux et nanosciences d'Alsace (FMNGE)
Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Réseau nanophotonique et optique
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)
ANR-16-CE07-0013,PhotIron,Design de complexes de fer à propriétés photophysiques applicables(2016)
ANR-10-IDEX-0002,UNISTRA,Par-delà les frontières, l'Université de Strasbourg(2010)
GROS, PHILIPPE C.
Design de complexes de fer à propriétés photophysiques applicables - - PhotIron2016 - ANR-16-CE07-0013 - AAPG2016 - VALID
Initiative d'excellence - Par-delà les frontières, l'Université de Strasbourg - - UNISTRA2010 - ANR-10-IDEX-0002 - IDEX - VALID
Université de Strasbourg (UNISTRA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Matériaux et Nanosciences Grand-Est (MNGE)
Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Réseau nanophotonique et optique
Université de Strasbourg (UNISTRA)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Strasbourg (UNISTRA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Source :
Physical Chemistry Chemical Physics, Physical Chemistry Chemical Physics, Royal Society of Chemistry, 2016, 18 (40), pp.28069-28081. 〈10.1039/C6CP05535D〉, Physical Chemistry Chemical Physics, Royal Society of Chemistry, 2016, 18 (40), pp.28069-28081. ⟨10.1039/C6CP05535D⟩, Physical Chemistry Chemical Physics, 2016, 18 (40), pp.28069-28081. ⟨10.1039/C6CP05535D⟩, ResearcherID
Publication Year :
2016
Publisher :
HAL CCSD, 2016.

Abstract

International audience; The first combined theoretical and photovoltaic characterization of both homoleptic and heteroleptic Fe(II)–carbene sensitized photoanodes in working dye sensitized solar cells (DSSCs) has been performed. Three new heteroleptic Fe(II)–NHC dye sensitizers have been synthesized, characterized and tested. Despite an improved interfacial charge separation in comparison to the homoleptic compounds, the heteroleptic complexes did not show boosted photovoltaic performances. The ab initio quantitative analysis of the interfacial electron and hole transfers and the measured photovoltaic data clearly evidenced fast recombination reactions for heteroleptics, even associated with un unfavorable directional electron flow, and hence slower injection rates, in the case of homoleptics. Notably, quantum mechanics calculations revealed that deprotonation of the not anchored carboxylic function in the homoleptic complex can effectively accelerate the electron injection rate and completely suppress the electron recombination to the oxidized dye. This result suggests that introduction of strong electron-donating substituents on the not-anchored carbene ligand in heteroleptic complexes, in such a way of mimicking the electronic effects of the carboxylate functionality, should yield markedly improved interfacial charge generation properties. The present results, providing for the first time a detailed understanding of the interfacial electron transfers and photovoltaic characterization in Fe(II)–carbene sensitized solar cells, open the way to a rational molecular engineering of efficient iron-based dyes for photoelectrochemical applications.

Details

Language :
English
ISSN :
14639076 and 14639084
Database :
OpenAIRE
Journal :
Physical Chemistry Chemical Physics, Physical Chemistry Chemical Physics, Royal Society of Chemistry, 2016, 18 (40), pp.28069-28081. 〈10.1039/C6CP05535D〉, Physical Chemistry Chemical Physics, Royal Society of Chemistry, 2016, 18 (40), pp.28069-28081. ⟨10.1039/C6CP05535D⟩, Physical Chemistry Chemical Physics, 2016, 18 (40), pp.28069-28081. ⟨10.1039/C6CP05535D⟩, ResearcherID
Accession number :
edsair.doi.dedup.....989be427498f93bd72a9bfdc35c564bb