Бояғышпен сенсибилизацияланған күн элементтері (БСКЭ): сенсибилизаторларды инженерлік жобалау, фотофизикалық принциптер және энергияны түрлендіру тиімділігін арттыру стратегиялары — шолу
DOI:
https://doi.org/10.15328/cb2026_152Түйін сөздер:
бояғышпен сенсибилизацияланған күн элементтері, рутений бояғыштары, D–π–A типті органикалық бояғыштар, трифениламин, табиғи бояғыштарАңдатпа
Бұл шолуда күн энергиясын фотоэлектрлік түрлендірудің негізгі принциптері және экологиялық тұрақты энергетикалық қосымшаларға арналған перспективалы үшінші буын технологиясы ретінде бояғышпен сенсибилизацияланған күн элементтері (БСКЭ) саласындағы зерттеулердің қазіргі жайы қарастырылады. БСКЭ негізгі құрамдас бөлігі болып табылатын және спектрлік сипаттамаларын, наноқұрылымды TiO2 жартылай өткізгішіне электрондардың инжекциялану тиімділігін, сондай-ақ құрылғының ұзақ мерзімді тұрақтылығын анықтайтын бояғыш-сенсибилизаторға ерекше назар аударылады. Шолуда сенсибилизаторлардың үш негізгі класының сипаттамалары жинақталған: рутений кешендері, трифениламин негізіндегі металсыз органикалық донор–π–акцепторлық (D–π–A) бояғыштар және антоциандар, беталаиндер, хлорофиллдер мен каротиноидтарды қамтитын табиғи пигменттер. Олардың оптикалық жұтылу қасиеттері, HOMO/LUMO энергетикалық деңгейлері, фототұрақтылығы және TiO2 бетімен адсорбциялану ерекшеліктері салыстырмалы түрде талданады. Рутений кешендері қуатты түрлендіру тиімділігі (PCE) шамамен 10–14% болатын эталондық сенсибилизаторлар болып қала береді. Ал трифениламин (TPA) негізіндегі органикалық бояғыштар құрылымдық түрлендіру мүмкіндіктерінің кеңдігімен және ықтимал уыттылық деңгейінің төмендігімен ерекшелене отырып, салыстырмалы тиімділік көрсетеді. Керісінше, табиғи бояғыштар жұтылу спектрінің тар болуына және фотохимиялық тұрақтылығының шектеулілігіне байланысты әлі де салыстырмалы түрде төмен тиімділік көрсетеді. Сондай-ақ БСКЭ жұмыс сипаттамаларын жақсартуға бағытталған заманауи стратегиялар қарастырылады. Олардың қатарына ко-сенсибилизация, кобальт және мыс негізіндегі тотығу-тотықсыздану медиаторларын қолдану, TiO2 наноқұрылымын оңтайландыру, D–A–π–A молекулалық архитектураларын жобалау және металл-органикалық қаңқалық құрылымдарды (MOFs) интеграциялау жатады. Қорытынды бөлімде БСКЭ технологиясын коммерцияландырудағы негізгі кедергілер және оны қолданудың перспективалы бағыттары, соның ішінде үй-жайларға арналған фотоэлектрлік жүйелер, заттар интернеті (IoT), ғимараттарға интеграцияланған фотоэлектрлік жүйелер (BIPV), агровольтаика және экологиялық қауіпсіз фотоэлектрлік жүйелерді әзірлеу мәселелері айқындалады.
Әдебиеттер тізімі
1 Kannan N, Vakeesan D (2016) Renew Sustain Energy Rev 62:1092–1105. http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2016.05.022
2 Pourasl HH, Vatankhah R, Khojastehnezhad VM (2023) Energy Reports 10:3474–3493. http://dx.doi.org/10.1016/j.egyr.2023.10.022
3 Srinivasa T, Upendra P, Ippili V (2025) Innov Green Dev 4:100224. http://dx.doi.org/10.1016/j.igd.2025.100224
4 Maka AOM, Alabid JM (2022) Clean Energy 6:476–483. http://dx.doi.org/10.1093/ce/zkac023
5 EMBER (2023) Ember 4:15–17.
6 Devadiga D, Selvakumar M, Shetty P, Santosh MS (2021) J Power Sources 493:229698. http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2021.229698
7 Lee C-P, Li C-T, Ho K-C (2017) Mater Today 20:267–283. http://dx.doi.org/10.1016/j.mattod.2017.01.012
8 Mustafa FM, Abdel Khalek AA, Mahboob AA, Abdel-Latif MK (2023) Molecules 28:6177. http://dx.doi.org/10.3390/molecules28176177
9 Sasikumar R, Thirumalaisamy S, Kim B, Hwang B (2024) Renew Sustain Energy Rev 199:114549. http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2024.114549
10 Yahya M, Bouziani A, Ocak C, Seferoğlu Z, Sillanpää M (2021) Dye Pigment 192:109227. http://dx.doi.org/10.1016/j.dyepig.2021.109227
11 Tang J, Ni H, Peng R, Wang N, Zuo L (2023) J Power Sources 562:232785. http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2023.232785
12 Puvareka C, Kannan N (2017) Middle-East J Sci Res 25:536–542. http://dx.doi.org/10.5829/idosi.mejsr.2017.536.542
13 Janke SM, Rossi M, Levchenko SV, Kokott S, Scheffler M, Blum V (2020) Electron Struct 2:035002. http://dx.doi.org/10.1088/2516-1075/ab9bb5
14 Soonmin H (2022) Int J Thin Films Sci Technol 11:37–45. http://dx.doi.org/10.18576/ijtfst/110105
15 Saeed F, Zohaib A (2021) Quantification of Losses in a Photovoltaic System: A Review, 2nd Int. Electron. Conf. Appl. Sci. MDPI, Basel Switzerland, p 35. http://dx.doi.org/10.3390/ASEC2021-11200
16 Olorunshogo Benjamin Ogundipe, Azubuike Chukwudi Okwandu, Sanni Ayinde Abdulwaheed (2024) GSC Adv Res Rev 20:159–175. http://dx.doi.org/10.30574/gscarr.2024.20.1.0259
17 Sharma K, Sharma V, Sharma SS (2018) Nanoscale Res Lett 13:381. http://dx.doi.org/10.1186/s11671-018-2760-6
18 Saud PS, Bist A, Kim AA, Yousef A, Abutaleb A, Park M, et al. (2024) Opt Mater (Amst) 150:115242. http://dx.doi.org/10.1016/j.optmat.2024.115242
19 Tontapha S, Uppachai P, Amornkitbamrung V (2021) Front Energy Res 9:1–9. http://dx.doi.org/10.3389/fenrg.2021.641983
20 Andualem A, Demiss S (2018) J Heterocycl 1:29–34. http://dx.doi.org/10.33805/2639-6734.103
21 Byranvand MM, Kharat AN, Badiei AR (2012)2:19–26. http://dx.doi.org/10.7508/jns.2012.01.003
22 Sinha SK, S M (2026)ChemistrySelect. http://dx.doi.org/10.1002/slct.202505562
23 Kokkonen M, Talebi P, Zhou J, Asgari S, Soomro SA, Elsehrawy F, et al. (2021) J Mater Chem A 9:10527–10545. http://dx.doi.org/10.1039/D1TA00690H
24 Najm AS, Alwash SA, Sulaiman NH, Chowdhury MS, Techato K (2023)Environ Prog Sustain Energy. http://dx.doi.org/10.1002/ep.13955
25 Zhang J, Yu C, Wang L, Li Y, Ren Y, Shum K (2014) Sci Rep 4:6954. http://dx.doi.org/10.1038/srep06954
26 Adeloye A, Ajibade P (2014) Molecules 19:12421–12460. http://dx.doi.org/10.3390/molecules190812421
27 Cole JM, Gong Y, McCree-Grey J, Evans PJ, Holt SA (2018) ACS Appl Energy Mater 1:2821–2831. http://dx.doi.org/10.1021/acsaem.8b00464
28 Adeloye AO, Koudjina S, Kumar V, Tapala KC, Gbenou JD, Chetti P (2025) Dye Pigment 235:112626. http://dx.doi.org/10.1016/j.dyepig.2024.112626
29 Mauri L, Colombo A, Dragonetti C, Fagnani F (2022) Inorganics 10:137. http://dx.doi.org/10.3390/inorganics10090137
30 Dhorkule M, Lamrood P, Ralegankar S, Patole SP, Wagh SS, Pathan HM (2024) ES Food Agrofor 16:1086. http://dx.doi.org/10.30919/esfaf1086
31 Islam A, Swetha T, Karim MR, Akhtaruzzaman M, Han L, Singh SP (2015) Phys status solidi 212:651–656. http://dx.doi.org/10.1002/pssa.201431654
32 Wang X-L, Huang J-F, Liu J-M, Tsiakaras P (2025) Coord Chem Rev 522:216143. http://dx.doi.org/10.1016/j.ccr.2024.216143
33 Ji J-M, Zhou H, Kim HK (2018) J Mater Chem A 6:14518–14545. http://dx.doi.org/10.1039/C8TA02281J
34 Liang M, Chen J (2013) Chem Soc Rev 42:3453. http://dx.doi.org/10.1039/c3cs35372a
35 Mahmood A (2016) Sol Energy 123:127–144. http://dx.doi.org/10.1016/j.solener.2015.11.015
36 Mahmoud SE, Fadda AA, Abdel-Latif E, Elmorsy MR (2022) Nanoscale Res Lett 17:71. http://dx.doi.org/10.1186/s11671-022-03711-6
37 Dutta R, Ahmed S, Kalita DJ (2020) Mater Today Commun 22:100731. http://dx.doi.org/10.1016/j.mtcomm.2019.100731
38 Mahmoud SE, Badawy SA, Fadda AA, Abdel-Latif E, Elmorsy MR (2025) J Fluoresc 35:10925–10938. http://dx.doi.org/10.1007/s10895-025-04340-9
39 Al-Atawi FH, Irfan A, Al-Sehemi AG (2025)R Soc Open Sci. http://dx.doi.org/10.1098/rsos.240133
40 Estrella LL, Balanay MP, Kim DH (2016) J Phys Chem A 120:5917–5927. http://dx.doi.org/10.1021/acs.jpca.6b03271
41 Rybakiewicz R, Zagorska M, Pron A (2017) Chem Pap 71:243–268. http://dx.doi.org/10.1007/s11696-016-0097-0
42 Mahajan U, Prajapat K, Dhonde M, Sahu K, Shirage PM (2024) Nano-Structures & Nano-Objects 37:101111. http://dx.doi.org/10.1016/j.nanoso.2024.101111
43 Kabir F, Manir S, Bhuiyan MMH, Aftab S, Ghanbari H, Hasani A, et al. (2022) Sustain Energy Technol Assessments 52:102196. http://dx.doi.org/10.1016/j.seta.2022.102196
44 Shalini S, Balasundaraprabhu R, Kumar TS, Prabavathy N, Senthilarasu S, Prasanna S (2016) Int J Energy Res 40:1303–1320. http://dx.doi.org/10.1002/er.3538
45 Shalini S, Balasundara prabhu R, Prasanna S, Mallick TK, Senthilarasu S (2015) Renew Sustain Energy Rev 51:1306–1325. http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2015.07.052
46 Pareek S, Sagar NA, Sharma S, Kumar V, Agarwal T, González‐Aguilar GA, et al. (2017) Chlorophylls: Chemistry and Biological Functions, Fruit Veg. Phytochem. Wiley, pp 269–284. http://dx.doi.org/10.1002/9781119158042.ch14
47 Korir BK, Kibet JK, Ngari SM (2024) Energy Sci Eng 12:3188–3226. http://dx.doi.org/10.1002/ese3.1815
48 Rahman S, Haleem A, Siddiq M, Hussain MK, Qamar S, Hameed S, et al. (2023) RSC Adv 13:19508–19529. http://dx.doi.org/10.1039/D3RA00903C
49 Cai S, Hu X, Zhang Z, Su J, Li X, Islam A, et al. (2013) J Mater Chem A 1:4763. http://dx.doi.org/10.1039/c3ta01657a
50 Mahmood A, Khan SU-D, Rana UA, Tahir MH (2019) Arab J Chem 12:1447–1453. http://dx.doi.org/10.1016/j.arabjc.2014.11.007
51 Hosseinpanahi K, Golzarian MR, Abbaspour-Fard MH, Feizy J (2020) Optik (Stuttg) 208:164068. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijleo.2019.164068
52 Xu J, Zhu L, Fang D, Chen B, Liu L, Wang L, et al. (2012) ChemPhysChem 13:3320–3329. http://dx.doi.org/10.1002/cphc.201200273
53 Arooj Q, Wilson GJ, Wang F (2019) Materials (Basel) 12:4024. http://dx.doi.org/10.3390/ma12244024
54 Wu J, Lan Z, Lin J, Huang M, Huang Y, Fan L, et al. (2015) Chem Rev 115:2136–2173. http://dx.doi.org/10.1021/cr400675m
55 Ooyama Y, Harima Y (2012) ChemPhysChem 13:4032–4080. http://dx.doi.org/10.1002/cphc.201200218
56 Thomas AG, Thomas A (2012) Chem Soc Rev 41:4207–4217. http://dx.doi.org/10.1039/c2cs35057b
57 Zhang L, Cole JM (2015) ACS Appl Mater Interfaces 7:3427–3455. http://dx.doi.org/10.1021/am507334m
58 Lin S, He X, Xu Q, Li Y, Fang D (2025) Mater Sci Eng B 314:118052. http://dx.doi.org/10.1016/j.mseb.2025.118052
59 Barichello J, Mariani P, Vesce L, Spadaro D, Citro I, Matteocci F, et al. (2024) J Mater Chem 12:2317–2349. http://dx.doi.org/10.1039/d3tc03220e
60 Prajapat K, Mahajan U, Sahu K, Dhonde M, Shirage PM (2024) Sol Energy 284:113081. https://doi.org/10.1016/j.solener.2024.113081
61 Kim J-H, Kim D-H, So J-H, Koo H-J (2022) Energies 15:219. http://dx.doi.org/10.3390/en15010219
62 Qamar S, Erten Ela S (2024) Curr Opin Colloid Interface Sci 74:101871. https://doi.org/10.1016/j.cocis.2024.101871
63 Castillo-Robles JA, Rocha-Rangel E, Ramírez-de-León JA, Caballero-Rico FC, Armendáriz-Mireles EN (2021) J Compos Sci 5:288. http://dx.doi.org/10.3390/jcs5110288
64 Kaliramna S, Dhayal SS, Chaudhary R, Khaturia S, Ameta KL, Kumar N (2022) Brazilian J Phys 52:136. http://dx.doi.org/10.1007/s13538-022-01109-4
65 Ouachekradi M, Elkabous M, Karzazi Y (2025) J Ind Eng Chem 152:217–233. http://dx.doi.org/10.1016/j.jiec.2025.04.052
66 Sen A, Putra MH, Biswas AK, Behera AK, Groβ A (2023) Dye Pigment 213:111087. http://dx.doi.org/10.1016/j.dyepig.2023.111087
67 Francis OI, Ikenna A (2021) Nat Sci 13:496–509. http://dx.doi.org/10.4236/ns.2021.1312043
68 Heydari Dokoohaki M, Mohammadpour F, Zolghadr AR (2021) J Phys Chem C 125:15155–15165. http://dx.doi.org/10.1021/acs.jpcc.1c02704
Жүктеулер
Жарияланды
Журналдың саны
Бөлім
Лицензия
Авторлық құқық (c) 2026 A. Abdullanova, A.O. Adeloye, D. Abduakhytova, R. Tokpayev, A. Atchabarova, M. Lepikhin
Бұл жұмыс Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Дүние жүзінде.
Авторлар өз жұмыстарының авторлық құқықтарын сақтайды және Creative Commons Attribution License (CC BY-NC-ND 4.0) шарттарымен лицензиялау арқылы журналға осы жұмысты алғаш рет жариялау құқығын береді. Бұл басқа адамдарға жұмыстың авторын көрсете отырып және осы журналдағы бастапқы басылымға сілтеме жасау арқылы таратуға мүмкіндік береді.
