Derivati ​​dell'acido idrossicinnamico per UV

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 3235 (2023) Citare questo articolo

737 accessi

Dettagli sulle metriche

I coloranti naturalmente abbondanti sono molto interessanti per lo sviluppo di celle solari sensibilizzate con coloranti (DSSC). I derivati ​​​​dell'acido idrossicinnamico, come l'acido caffeico (CA), l'acido ferulico (FA) e l'acido p-cumarico (PA), sono stati presi in considerazione per la raccolta selettiva di fotoni ultravioletti A (UVA) (315–400 nm). Le loro proprietà spettroscopiche ed elettrochimiche sono state studiate sia teoricamente che sperimentalmente. Sono stati inoltre adottati con successo come fotosensibilizzatori in DSSC selettivi ai raggi UV e visibilmente trasparenti, che hanno mostrato un'efficienza di conversione di potenza dello 0,22–0,38% con illuminazione AM (massa d'aria) 1,5 G (globale) (100 mW/cm2) e del 3,40–3,62% sotto irradiazione UVA (365 nm, 115,22 mW/cm2), con una corrispondente trasmissione della luce visibile (VLT) del 49,07–43,72% e un indice di resa cromatica generale (Ra) di 93–90.

Poiché la popolazione urbana globale cresce rapidamente, il consumo di energia nelle città è diventato una delle principali cause del cambiamento climatico. L’integrazione delle energie rinnovabili nelle città può fornire una transizione verso ambienti urbani più verdi. È importante sottolineare che nel 2020 gli edifici e le costruzioni hanno rappresentato il 36% della domanda energetica globale e il 37% delle emissioni di anidride carbonica (CO2) legate all’energia1. Per mitigare questo consumo energetico, è stato introdotto il concetto di edificio a energia zero (ZEB), dove l'energia generata in loco è pari o superiore all'energia erogata dalle reti di distribuzione. L’implementazione di ZEB è diventata obbligatoria per le nuove costruzioni residenziali e commerciali2, e un modo promettente per raggiungere questo obiettivo è il Building-Integrated Photovoltaics (BIPV), in cui i moduli fotovoltaici sono montati sugli involucri degli edifici.

Nel corso degli anni, i progressi nelle tecnologie delle vetrate associate all'architettura edilizia moderna hanno portato allo sviluppo di sistemi di rivestimento in vetro, come facciate continue, pareti finestrate e sistemi chiave di involucro edilizio. Sebbene l’uso estensivo di sistemi di rivestimento in vetro sia responsabile dei carichi di raffreddamento in estate e di riscaldamento in inverno, le tende fotovoltaiche (PV) e le pareti delle finestre sono cruciali per la tecnologia dei vetri di prossima generazione. Sfortunatamente, l’attuale sfida associata alle vetrate fotovoltaiche è un compromesso intrinseco tra trasmittanza ed efficienza di conversione della potenza (PCE) perché le celle solari convenzionali assorbono la luce visibile per produrre elettricità. Recentemente sono emerse tecnologie selettive in lunghezza d'onda; queste tecnologie utilizzano materiali eccitonici che assorbono selettivamente la luce ultravioletta (UV)3,4,5,6 o il vicino infrarosso (NIR)7,8,9,10,11 e si prevede che tali PV selettivi in ​​lunghezza d'onda supereranno i limiti dei semi- PV trasparenti e colorati per applicazioni BIPV.

Tra le tecnologie fotovoltaiche emergenti, le celle solari sensibilizzate con colorante (DSSC) sono particolarmente favorevoli per ottenere un'elevata trasparenza nella regione della luce visibile a causa dell'assorbimento selettivo della lunghezza d'onda dei fotosensibilizzatori e dell'uso di substrati di ossido conduttivo otticamente trasparenti12,13,14,15, 16. I fotosensibilizzatori sintetici sono costosi e dannosi per l’ambiente, e quindi si dovrebbero prendere in considerazione coloranti naturalmente abbondanti per sostituire i costosi processi di sintesi chimica con semplici processi di estrazione. Ad oggi, per fabbricare DSSC17,18,19 sono stati utilizzati coloranti naturalmente disponibili, come antociani, betalaine, flavonoidi, carotenoidi e clorofilla, e risultati rappresentativi possono essere trovati nei riferimenti bibliografici 18 e 19. La maggior parte dei coloranti naturali mostra un assorbimento da 400 a 700 nm nel regime di luce visibile. Ad esempio, gli antociani mostrano un elevato assorbimento a lunghe lunghezze d'onda (ad esempio 580–700 nm). Le betacianine e le betaxantine assorbono nell'intervallo da 400 a 600 nm. La clorofilla assorbe tutte le lunghezze d'onda della luce visibile tranne il verde. Sfortunatamente, i coloranti naturali, che raccolgono selettivamente i fotoni UV, non sono stati molto studiati nelle applicazioni sensibilizzate con coloranti. In questo studio, introduciamo gli acidi idrossicinnamici (HCA) nella tecnologia selettiva della lunghezza d'onda come potenziali fotosensibilizzatori che assorbono i raggi UV. Gli HCA possiedono una struttura chimica comprendente nove atomi di carbonio (C6–C3) e sono il principale sottogruppo di acidi fenolici con distribuzione ubiquitaria nel regno vegetale20. Gli HCA, come l'acido caffeico (CA), l'acido ferulico (FA) e l'acido p-cumarico (PA), sono composti fenolici naturali che si trovano in abbondanza nelle foglie di tè, nel caffè, nella frutta, nella verdura e nei cereali integrali21,22. È interessante notare che hanno una struttura specifica in cui un gruppo carbossilico è separato da un anello aromatico mediante un doppio legame, formando un sistema di elettroni π. Teoricamente e sperimentalmente, è noto che mostrano una forte assorbanza nella regione UV (220–400 nm)20,23,24,25. Pertanto, abbiamo studiato l'efficacia degli HCA per la raccolta di fotoni UV e abbiamo dimostrato DSSC selettivi per i raggi UV e visibilmente trasparenti.