Progress in nanostructured photoanodes for dye-sensitized solar cells

Solar cells represent a principal energy technology to convert light into electricity. Commercial solar cells are at present predominately produced by single- or multi-crystalline silicon wafers. The main drawback to silicon-based solar cells, however, is high material and manufacturing costs. Dye-sensitized solar cells (DSSCs) have attracted much attention during recent years because of the low production cost and other advantages. The photoanode (working electrode) plays a key role in determining the performance of DSSCs. In particular, nanostructured photoanodes with a large surface area, high electron transfer efficiency, and low electron recombination facilitate to prepare DSSCs with high energy conversion efficiency. In this review article, we summarize recent progress in the development of novel photoanodes for DSSCs. Effect of semiconductor material (e.g. TiO2, ZnO, SnO2, N2O5, and nano carbon), preparation, morphology and structure (e.g. nanoparticles, nanorods, nanofibers, nanotubes, fiber/particle composites, and hierarchical structure) on photovoltaic performance of DSSCs is described. The possibility of replacing silicon-based solar cells with DSSCs is discussed.

Microbial nanowires : an electrifying tale

Electromicrobiology has gained momentum in the last ten years with advances in microbial fuel cells and the discovery of microbial nanowires (MNWs). The list of MNWs producing microorganisms is growing and providing intriguing insights into the presence of such microorganisms in diverse environments and the potential roles MNWs can perform. This review discusses the MNWs produced by different microorganisms, including their structure, composition and role in electron transfer through MNWs. Two hypotheses, metallic-like conductivity and an electron hopping model, have been proposed for electron transfer and we present a current understanding of both these hypotheses. MNWs are not only poised to change the way we see microorganisms but may also impact the fields of bioenergy, biogeochemistry and bioremediation, hence their potential applications in these fields are highlighted here.

Transfert ultrarapide d’électron et transfert modéré d’énergie au sein d’assemblages supramoléculaires de colorants et d’un cluster de palladium

Résumé : Les transferts d’électrons photo-induits et d’énergie jouent un rôle primordial dans un grand nombre de processus photochimiques et photobiologiques, comme la respiration ou la photosynthèse. Une très grande quantité de systèmes à liaisons covalentes ont été conçus pour copier ces processus de transferts. Cependant, les progrès sont, en grande partie, limités par les difficultés rencontrées dans la synthèse de nouveaux couples de types donneurs-accepteurs. Récemment, des espèces utilisant des liaisons non-covalentes, comme les liaisons hydrogènes, les interactions [pi]-[pi], les liaisons de coordination métal-ligands ou encore les interactions électrostatiques sont le centre d’un nouvel intérêt du fait qu’ils soient plus faciles à synthétiser et à gérer pour obtenir des comportements de transferts d’électrons ou d’énergie plus flexibles et sélectifs. C’est dans cette optique que le travail de cette thèse a été mené, i.e. de concevoir des composés auto-assemblés avec des porphyrines et un cluster de palladium pour l’étude des transferts d’électrons photo-induits et d’énergie. Cette thèse se divise en quatre parties principales. Dans la première section, le chapitre 3, deux colorants porphyriniques, soit le 5-(4-carboxylphényl)-10, 15, 20-tristolyl(porphyrinato)zinc(II) (MCP, avec Na+ comme contre-ion) et 5, 15-bis(4-carboxylphényl)-15, 20-bistolyl(porphyrinato)zinc(II) (DCP, avec Na+ comme contre-ion) ont été utilisés comme donneurs d’électrons, et le [Pd3(dppm)3(CO)]2+ ([Pd32+], dppm = (Ph2P)2CH2, PF6‾ est le contre-ion) a été choisi comme accepteur d’électrons. La structure de l’assemblage [Pd32+]•••porphyrine a été élucidée par l’optimisation des géométries à l’aide de calculs DFT. La spectroscopie d’absorption transitoire (TAS) montre la vitesse de transferts d’électrons la plus rapide (< 85 fs, temps inférieurs à la limite de détection) jamais enregistrée pour ce type de système (porphyrine-accepteur auto-assemblés). Généralement, ces processus sont de l’ordre de l’échelle de la ps-ns. Cette vitesse est comparable aux plus rapides transferts d’électrons rapportés dans le cas de systèmes covalents de type porphyrine-accepteur rapide (< 85 fs, temps inférieurs à la limite de détection). Ce transfert d’électrons ultra-rapide (ket > 1.2 × 1013 s-1) se produit à l’état énergétique S1 des colorants dans une structure liée directement par des interactions ioniques, ce qui indique qu’il n’est pas nécessaire d’avoir de forts liens ou une géométrie courbée entre le donneur et l’accepteur. Dans une deuxième section, au chapitre 4, nous avons étudié en profondeur l’effet de l’utilisation de porphyrines à systèmes π-étendus sur le comportement des transferts d’électrons. Le colorant 9, 18, 27, 36-tétrakis-meso-(4-carboxyphényl)tétrabenzoporphyrinatozinc(II) (TCPBP, avec Na+ comme contre-ion) a été sélectionné comme candidat, et le 5, 10, 15, 20-tétrakis-meso-(4-carboxyphényl)porphyrineatozinc(II) (TCPP, avec Na+ comme contre-ion) a aussi été utilisé à des fins de comparaisons. TCPBP et TCPP ont, tous deux, été utilisés comme donneurs d’électrons pour fabriquer des assemblages supramoléculaires avec le cluster [Pd32+] comme accepteur d’électrons. Les calculs DFT ont été réalisés pour expliquer les structures de ces assemblages. Dans les conditions expérimentales, ces assemblages sont composés principalement d’une porphyrine avec 4 équivalents de clusters. Ces systèmes ont aussi été investigués par des mesures de quenching (perte de luminescence), par électrochimie et par d’autres techniques. Les transferts d’électrons (< 85 fs; temps inférieurs à la limite de détection) étaient aussi observés, de façon similaire aux assemblages MCP•••[Pd32+] et [Pd32+]•••DCP•••[Pd32+]. Les résultats nous indiquent que la modification de la structure de la porphyrine vers la tétrabenzoporphyrine ne semble pas influencer le comportement des cinétiques de transferts d’électrons (aller ou retour). Dans la troisième section, le chapitre 5, nous avons synthétisé la porphyrine hautement [pi]-conjuguée: 9, 18, 27, 36-tétra-(4-carboxyphényléthynyl)tétrabenzoporphyrinatozinc(II) (TCPEBP, avec Na+ comme contre-ion) par des fonctionnalisations en positions meso- et β, β-, qui présente un déplacement vers le rouge de la bande de Soret et des bandes Q. TCPEBP était utilisé comme donneur d’électrons pour fabriquer des motifs supramoléculaires avec le [Pd32+] comme accepteur d’électrons. Des expériences en parallèle ont été menées en utilisant la 5, 10, 15, 20-tétra-(4-carboxyphényl)éthynylporphyrinatozinc(II) (TCPEP, avec Na+ comme contre-ion). Des calculs DFT et TDDFT ont été réalisés pour de nouveau déterminer de façon théorique les structures de ces systèmes. Les constantes d’association pour les assemblages TCPEBP•••[Pd32+]x sont les plus élevées parmi tous les assemblages entre des porphyrines et le cluster de palladium rencontrés dans la littérature. La TAS a montré, encore une fois, des processus de transferts d’électrons dans des échelles de l’ordre de 75-110 fs. Cependant, les transferts de retour d’électrons sont aussi très rapides (< 1 ps), ce qui est un obstacle potentiel pour des applications en cellules solaires à pigment photosensible (DSSCs). Dans la quatrième section, le chapitre 6, les transferts d’énergie triplets (TET) ont été étudiés pour les assemblages MCP•••[Pd32+] et [Pd32+]•••DCP•••[Pd32+]. Les analyses spectrales des états transitoires dans l’échelle de temps de la ns-[mu]s démontrent de façon évidente les TETs; ceux-ci présentent des transferts d’énergie lents et/ou des vitesses moyennes pour des transferts d’énergie T1-T1 (3dye*•••[Pd32+] → dye•••3[Pd32+]*) opérant à travers exclusivement le mécanisme de Förster avec des valeurs de kET autour de ~ 1 × 105 s-1 selon les mesures d’absorption transitoires à 298 K. Des forces motrices non-favorables rendent ces types de processus non-opérants ou très lents dans les états T1. L’état T1 de [Pd32+] (~8190 cm-1) a été qualitativement déterminé par DFT et par la mise en évidence de l’émission S0 ← Tn retardée à 680-700 nm provenant de l’annihilation T1-T1, ce qui fait que ce cluster peut potentiellement agir comme un donneur à partir de ses états Tn, et accepteur à partir de T1 à l’intérieur de ces assemblages. Des pertes d’intensités de types statiques pour la phosphorescence dans le proche-IR sont observées à 785 nm. Ce travail démontre une efficacité modérée des colorants à base de porphyrines pour être impliquée dans des TETs avec des fragments organométalliques, et ce, même attachées grâce à des interactions ioniques. En conclusion, les assemblages ioniques à base de porphyrines et de clusters de palladium présentent des propriétés de transferts d’électrons S1 ultra-rapides, et des transferts d’énergie T1 de vitesses modérées, ce qui est utile pour de possibles applications comme outils optoélectroniques. D’autres études, plus en profondeur, sont présentement en progrès.

Direct observation of coherent spin transfer processes in an InGaAs/GaAs quantum well via two-color time-resolved Kerr rotation measurements

A two-color time-resolved Kerr rotation spectroscopy system was built, with a femtosecond Ti:sapphire laser and a photonic crystal fiber, to study coherent spin transfer processes in an InGaAs/GaAs quantum well sample. The femtosecond Ti:sapphire laser plays two roles: besides providing a pump beam with a tunable wavelength, it also excites the photonic crystal fiber to generate supercontinuum light ranging from 500 nm to 1600 nm, from which a probe beam with a desirable wavelength is selected with a suitable interference filter. With such a system, we studied spin transfer processes between two semiconductors of different gaps in an InGaAs/GaAs quantum well sample. We found that electron spins generated in the GaAs barrier were transferred coherently into the InGaAs quantum well. A model based on rate equations and Bloch-Torrey equations is used to describe the coherent spin transfer processes quantitatively. With this model, we obtain an effective electron spin accumulation time of 21 ps in the InGaAs quantum well.

Electron spectroscopy of novel charge transfer systems based on polycyclic aromatic hydrocarbons

Organische Ladungstransfersysteme weisen eine Vielfalt von konkurrierenden Wechselwirkungen zwischen Ladungs-, Spin- und Gitterfreiheitsgraden auf. Dies führt zu interessanten physikalischen Eigenschaften, wie metallische Leitfähigkeit, Supraleitung und Magnetismus. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der elektronischen Struktur von organischen Ladungstransfersalzen aus drei Material-Familien. Dabei kamen unterschiedliche Photoemissions- und Röntgenspektroskopietechniken zum Einsatz. Die untersuchten Moleküle wurden z.T. im MPI für Polymerforschung synthetisiert. Sie stammen aus der Familie der Coronene (Donor Hexamethoxycoronen HMC und Akzeptor Coronen-hexaon COHON) und Pyrene (Donor Tetra- und Hexamethoxypyren TMP und HMP) im Komplex mit dem klassischen starken Akzeptor Tetracyanoquinodimethan (TCNQ). Als dritte Familie wurden Ladungstransfersalze der k-(BEDT-TTF)2X Familie (X ist ein monovalentes Anion) untersucht. Diese Materialien liegen nahe bei einem Bandbreite-kontrollierten Mottübergang im Phasendiagramm.rnFür Untersuchungen mittels Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie (UPS) wurden UHV-deponierte dünne Filme erzeugt. Dabei kam ein neuer Doppelverdampfer zum Einsatz, welcher speziell für Milligramm-Materialmengen entwickelt wurde. Diese Methode wies im Ladungstransferkomplex im Vergleich mit der reinen Donor- und Akzeptorspezies energetische Verschiebungen von Valenzzuständen im Bereich weniger 100meV nach. Ein wichtiger Aspekt der UPS-Messungen lag im direkten Vergleich mit ab-initio Rechnungen.rnDas Problem der unvermeidbaren Oberflächenverunreinigungen von lösungsgezüchteten 3D-Kristallen wurde durch die Methode Hard-X-ray Photoelectron Spectroscopy (HAXPES) bei Photonenenergien um 6 keV (am Elektronenspeicherring PETRA III in Hamburg) überwunden. Die große mittlere freie Weglänge der Photoelektronen im Bereich von 15 nm resultiert in echter Volumensensitivität. Die ersten HAXPES Experimente an Ladungstransferkomplexen weltweit zeigten große chemische Verschiebungen (mehrere eV). In der Verbindung HMPx-TCNQy ist die N1s-Linie ein Fingerabdruck der Cyanogruppe im TCNQ und zeigt eine Aufspaltung und einen Shift zu höheren Bindungsenergien von bis zu 6 eV mit zunehmendem HMP-Gehalt. Umgekehrt ist die O1s-Linie ein Fingerabdruck der Methoxygruppe in HMP und zeigt eine markante Aufspaltung und eine Verschiebung zu geringeren Bindungsenergien (bis zu etwa 2,5eV chemischer Verschiebung), d.h. eine Größenordnung größer als die im Valenzbereich.rnAls weitere synchrotronstrahlungsbasierte Technik wurde Near-Edge-X-ray-Absorption Fine Structure (NEXAFS) Spektroskopie am Speicherring ANKA Karlsruhe intensiv genutzt. Die mittlere freie Weglänge der niederenergetischen Sekundärelektronen (um 5 nm). Starke Intensitätsvariationen von bestimmten Vorkanten-Resonanzen (als Signatur der unbesetzte Zustandsdichte) zeigen unmittelbar die Änderung der Besetzungszahlen der beteiligten Orbitale in der unmittelbaren Umgebung des angeregten Atoms. Damit war es möglich, präzise die Beteiligung spezifischer Orbitale im Ladungstransfermechanismus nachzuweisen. Im genannten Komplex wird Ladung von den Methoxy-Orbitalen 2e(Pi*) und 6a1(σ*) zu den Cyano-Orbitalen b3g und au(Pi*) und – in geringerem Maße – zum b1g und b2u(σ*) der Cyanogruppe transferiert. Zusätzlich treten kleine energetische Shifts mit unterschiedlichem Vorzeichen für die Donor- und Akzeptor-Resonanzen auf, vergleichbar mit den in UPS beobachteten Shifts.rn

Rapid quantification of free cholesterol in tears using direct insertion/electron ionization-Mass spectrometry

Purpose. To establish a simple and rapid analytical method, based on direct insertion/electron ionization-mass spectrometry (DI/EI-MS), for measuring free cholesterol in tears from humans and rabbits. Methods. A stable-isotope dilution protocol employing DI/EI-MS in selected ion monitoring mode was developed and validated. It was used to quantify the free cholesterol content in human and rabbit tear extracts. Tears were collected from adult humans (n = 15) and rabbits (n = 10) and lipids extracted. Results. Screening, full-scan (m/z 40-600) DI/EI-MS analysis of crude tear extracts showed that diagnostic ions located in the mass range m/z 350 to 400 were those derived from free cholesterol, with no contribution from cholesterol esters. DI/EI-MS data acquired using selected ion monitoring (SIM) were analyzed for the abundance ratios of diagnostic ions with their stable isotope-labeled analogues arising from the D6-cholesterol internal standard. Standard curves of good linearity were produced and an on-probe limit of detection of 3 ng (at 3:1 signal to noise) and limit of quantification of 8 ng (at 10:1 signal to noise). The concentration of free cholesterol in human tears was 15 ± 6 μg/g, which was higher than in rabbit tears (10 ± 5 μg/g). Conclusions. A stable-isotope dilution DI/EI-SIM method for free cholesterol quantification without prior chromatographic separation was established. Using this method demonstrated that humans have higher free cholesterol levels in their tears than rabbits. This is in agreement with previous reports. This paper provides a rapid and reliable method to measure free cholesterol in small-volume clinical samples. © 2013 The Association for Research in Vision and Ophthalmology, Inc.

Contrast transfer function correction applied to cryo-electron tomography and sub-tomogram averaging

Cryo-electron tomography together with averaging of sub-tomograms containing identical particles can reveal the structure of proteins or protein complexes in their native environment. The resolution of this technique is limited by the contrast transfer function (CTF) of the microscope. The CTF is not routinely corrected in cryo-electron tomography because of difficulties including CTF detection, due to the low signal to noise ratio, and CTF correction, since images are characterised by a spatially variant CTF. Here we simulate the effects of the CTF on the resolution of the final reconstruction, before and after CTF correction, and consider the effect of errors and approximations in defocus determination. We show that errors in defocus determination are well tolerated when correcting a series of tomograms collected at a range of defocus values. We apply methods for determining the CTF parameters in low signal to noise images of tilted specimens, for monitoring defocus changes using observed magnification changes, and for correcting the CTF prior to reconstruction. Using bacteriophage PRDI as a test sample, we demonstrate that this approach gives an improvement in the structure obtained by sub-tomogram averaging from cryo-electron tomograms.

A novel investigation of vapor-phase charge-transfer complexes of halogens with n-donors by electron energy loss spectroscopy

Complexes of I2 with diethyl ether and triethylamine and of Br, with diethyl ether have been investigated in the vapor phase for the first time by employing electron energy loss spectroscopy. Besides the CT bands, blue-shifted vacuum-UV bands of the halogens have been assigned; the amine-I, system appears to exhibit two CT bands,associated with two different excited states of the complex.

Direct Synthesis of Functionalized Unsymmetrical beta-Sulfonamido Disulfides by Tetrathiomolybdate Mediated Aziridine Ring-Opening Reactions

Direct synthesis of unsymmetrical beta-sulfonamido disulfides by ring-opening of aziridines by using benzyltriethyl-ammonium tetrathiomolybdate 1 as a sulfur transfer reagent in the presence of symmetrical disulfides as thiol equivalents has been reported. Reaction of benzyl and alkyl disulfides gave unsymmetrical beta-sulfonamido disulfides as the only product in very good yields. From the Study, it has been observed that aryl disulfides containing p-NO2, p-Cl, and p-CN led to the formation of the corresponding beta-aminosulfides as the exclusive products. However, un-substituted aryl disulfides and the one containing electron-donating substituents (p-Me) provide a mixture of beta-sulfonamido mono- and disulfides as the products.

Theoretical Studies on Coupled Electron and Proton Transfer in Cytochrome c Oxidase

The complexity of life is based on an effective energy transduction machinery, which has evolved during the last 3.5 billion years. In aerobic life, the utilization of the high oxidizing potential of molecular oxygen powers this machinery. Oxygen is safely reduced by a membrane bound enzyme, cytochrome c oxidase (CcO), to produce an electrochemical proton gradient over the mitochondrial or bacterial membrane. This gradient is used for energy-requiring reactions such as synthesis of ATP by F0F1-ATPase and active transport. In this thesis, the molecular mechanism by which CcO couples the oxygen reduction chemistry to proton-pumping has been studied by theoretical computer simulations. By building both classical and quantum mechanical model systems based on the X-ray structure of CcO from Bos taurus, the dynamics and energetics of the system were studied in different intermediate states of the enzyme. As a result of this work, a mechanism was suggested by which CcO can prevent protons from leaking backwards in proton-pumping. The use and activation of two proton conducting channels were also enlightened together with a mechanism by which CcO sorts the chemical protons from pumped protons. The latter problem is referred to as the gating mechanism of CcO, and has remained a challenge in the bioenergetics field for more than three decades. Furthermore, a new method for deriving charge parameters for classical simulations of complex metalloenzymes was developed.

Numerical estimation of hotspot temperatures in electrodes subjected to pulsed electron beam heating in vacuum

A numerical solution for the transient temperature distribution in a cylindrical disc heated on its top surface by a circular source is presented. A finite difference form of the governing equations is solved by the Alternating Direction Implicit (ADI) time marching scheme. This solution has direct applications in analyzing transient electron beam heating of target materials as encountered in the prebreakdown current enhancement and consequent breakdown in high voltage vacuum gaps stressed by alternating and pulsed voltages. The solution provides an estimate of the temperature for pulsed electron beam heating and the size of thermally activated microparticles originating from anode hot spots. The calculated results for a typical 45kV (a.c.) electron beam of radius 2.5 micron indicate that the temperature of such spots can reach melting point and could give rise to microparticles which could initiate breakdown.

Modified-Pore-Filled-PVDF-Membrane Electrolytes for Direct Methanol Fuel Cells

The polyvinylidene fluoride (PVDF) membrane is modified by the chemical etchant-route employing a sodium naphthalene charge-transfer complex followed by impregnation with Nafion ionomer or polyvinyl alcohol (PVA)-polystyrene sulfonic acid (PSSA) polymeric blend solutions by a dip-coating technique to form pore-filled-membrane electrolytes for application in direct methanol fuel cells (DMFCs). The number of coatings on the surface-modified PVDF membrane is varied between 5 and 15 and is found to be optimum at 10 layers both for Nafion and PVA-PSSA impregnations for effective DMFC performance. Hydrophilicity of the modified-membrane electrolytes is studied by determining average contact angle and surface-wetting energy. Morphology of the membranes is analyzed by a cross-sectional scanning electron microscope. The modified PVDF membrane electrolytes are characterized for their water-methanol sorption in conjunction with their mechanical properties, proton conductivity, and DMFC performance. Air permeability for the modified membranes is studied by a capillary-flow porometer. Methanol crossover flux across modified-PVDF-membrane electrolytes is studied by measuring the mass balance of methanol using a density meter. DMFCs employing membrane electrode assemblies with the modified PVDF membranes exhibit a peak power-density of 83 mW/cm(2) with Nafion impregnation and 59 mW/cm(2) for PVA-PSSA impregnation, respectively. Among the membranes studied here, stabilities of modified-pore-filled PVDF-Nafion and PVDF-PVA-PSSA membranes with 10-layers coat are promising for application in DMFCs. (C) 2010 The Electrochemical Society. DOI: 10.1149/1.3518774] All rights reserved.