噻吩類有機(jī)染料和電催化材料在染料敏化太陽能電池中的應(yīng)用

【摘要】：染料敏化太陽能電池是一種新型、無污染的清潔能源,其成本低、制作工藝簡單、光電轉(zhuǎn)換效率較高,引起了全世界科研工作者的廣泛關(guān)注。本論文合成三個(gè)體系的新型染料作為光敏劑、導(dǎo)電聚合物和摻雜石墨烯材料作為對(duì)電極應(yīng)用于染料敏化太陽能電池(DSSC),主要的研究內(nèi)容和結(jié)果如下：(1)設(shè)計(jì)并合成了兩個(gè)基于二苯并噻吩π橋,三苯胺電子給體,腈基乙酸電子受體的染料。烷基鏈的存在能有效的抑制染料聚集和電荷復(fù)合,從而提高了開路電壓。(2)設(shè)計(jì)并合成了兩個(gè)基于4,8-二噻吩苯并[1,2-b：4,5-b']二噻吩的同分異構(gòu)體染料,在其垂直的兩個(gè)方向分別構(gòu)建交叉共軛化合物。研究發(fā)現(xiàn),電荷在平行苯并二噻吩(I2)方向的傳輸強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于垂直苯并二噻吩(I1)方向的傳輸。因此,I2的短路電流和光電轉(zhuǎn)換效率比I1都要高。(3)設(shè)計(jì)并合成了三個(gè)以烷氧基鏈相連的3,4-乙烯二氧噻吩(EDOT)衍生物作為π共軛橋的同分異構(gòu)體的雙D-π-A染料,太陽能電池的性能依賴于EDOT中烷氧基的連接位置。在這三種異構(gòu)體當(dāng)中,H1(兩個(gè)烷氧基的連接位點(diǎn)都靠近給體)表現(xiàn)出最高的效率(8.06%),H2(一個(gè)烷氧基的連接位點(diǎn)靠近給體,一個(gè)烷氧基的連接位點(diǎn)靠近受體)具有較低的效率,H3(兩個(gè)烷氧基的連接位點(diǎn)都靠近受體)具有最低的效率。(4)合成了一種帶有雙功能基團(tuán)的3,4-乙烯二氧噻吩(EDOT)衍生物,通過電化學(xué)聚合的方法原位制備了一種具有液晶性質(zhì)導(dǎo)電聚合物薄膜。分子有序使液晶聚合物膜的載流子遷移率高,因此有較高的電催化活性。當(dāng)作為陰極材料應(yīng)用到染料敏化太陽能電池中,獲得了8.08%的光電轉(zhuǎn)換效率,同比條件下,鉑陰極的光電轉(zhuǎn)換效率為7.69%。(5)合成了一種N,B-摻雜的石墨烯應(yīng)用于染料敏化太陽能電池,該石墨烯具有較高的比表面積和較高的電催化活性。其電催化活性隨著摻雜B元素的摻雜含量的增加而增加,當(dāng)達(dá)到一定量后,隨著B元素的摻雜含量的增加而減小。最好的摻雜石墨烯對(duì)電極獲得了8.09%的光電轉(zhuǎn)化效率,同比條件下,鉑陰極的光電轉(zhuǎn)換效率為7.54%。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽能電池 染料 雙-π-A 電催化活性 導(dǎo)電聚合物 N B-摻雜石墨烯
【學(xué)位授予單位】：復(fù)旦大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要6-7
• Abstract7-9
• 第一章 緒論9-41
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 DSSC的基本概念與性能表征10-13
• 1.2.1 DSSCs的器件結(jié)構(gòu)和原理10-11
• 1.2.2 J-V特性曲線11-12
• 1.2.3 有機(jī)太陽能電池的性能表征參數(shù)12-13
• 1.3 襯底13
• 1.4 半導(dǎo)體納米晶薄膜13-15
• 1.5 電解質(zhì)15-17
• 1.6 對(duì)電極材料17-21
• 1.6.1 碳材料對(duì)電極17-18
• 1.6.2 無機(jī)材料對(duì)電極18-19
• 1.6.3 導(dǎo)電聚合物對(duì)電極19-21
• 1.7 光敏染料21-30
• 1.7.1 多聯(lián)吡啶釕釕染料22-23
• 1.7.2 金屬卟啉23-25
• 1.7.3 金屬酞菁25-26
• 1.7.4 純有機(jī)染料26-30
• 1.8 論文的選題意義及主要研究內(nèi)容30-32
• 參考文獻(xiàn)32-41
• 第二章 實(shí)驗(yàn)部分41-46
• 2.1 試劑與儀器41-44
• 2.2 TiO_2漿料的制備44
• 2.3 TiO_2光陽極的制備44-45
• 2.4 液態(tài)電解質(zhì)的配制45
• 2.5 電池的封裝45
• 2.6 電池的光電性能測(cè)試45-46
• 第三章 二苯并噻吩連接的D-π-A染料的合成及性能研究46-59
• 3.1 引言46
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分46-52
• 3.2.1 儀器與試劑46-47
• 3.2.2 染料的合成與表征47-52
• 3.3 結(jié)果與討論52-57
• 3.3.1 染料的合成52
• 3.3.2 染料的紫外-可見吸收光譜52-54
• 3.3.3 染料的電化學(xué)性能54
• 3.3.4 染料的密度泛函理論計(jì)算54-55
• 3.3.5 染料的光伏性能55-57
• 3.4 本章小結(jié)57-58
• 參考文獻(xiàn)58-59
• 第四章 4,8-二噻吩苯并[1,2-b：4,5-b’]二噻吩交叉共軛有機(jī)染料的電荷轉(zhuǎn)移59-75
• 4.1 引言59-60
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分60-66
• 4.2.1 儀器與試劑60
• 4.2.2 染料及中間體的合成與表征60-66
• 4.3 結(jié)果與討論66-73
• 4.3.1 染料的合成66
• 4.3.2 染料的紫外-可見吸收光譜66-68
• 4.3.3 染料的熒光光譜68-69
• 4.3.4 染料的密度泛函理論計(jì)算69-70
• 4.3.5 染料的循環(huán)伏安曲線70-71
• 4.3.6 染料的光伏性能71-72
• 4.3.7 強(qiáng)度調(diào)制光電壓測(cè)試(IMVS)72-73
• 4.4 本章小結(jié)73-74
• 參考文獻(xiàn)74-75
• 第五章 雙D-π-A結(jié)構(gòu)的染料在染料敏化太陽能電池中的應(yīng)用與研究75-92
• 5.1 引言75-76
• 5.2 實(shí)驗(yàn)部分76-82
• 5.2.1 儀器與試劑76
• 5.2.2 染料及中間體的合成與表征76-82
• 5.3 結(jié)果與討論82-90
• 5.3.1 染料的合成82-83
• 5.3.2 染料的紫外-可見吸收光譜83-84
• 5.3.3 染料的紅外光譜84-85
• 5.3.4 染料的密度泛函理論計(jì)算85-86
• 5.3.5 染料的電化學(xué)性質(zhì)86-87
• 5.3.6 染料的光伏性能87-89
• 5.3.7 強(qiáng)度調(diào)制光電壓測(cè)試(IMVS)89-90
• 5.4 本章小結(jié)90-91
• 參考文獻(xiàn)91-92
• 第六章 液晶聚合物的合成及其作為DSSCs對(duì)電極的性能研究92-106
• 6.1 引言92-93
• 6.2 實(shí)驗(yàn)部分93-98
• 6.2.1 儀器與試劑93
• 6.2.2 EDOT衍生物的合成與表征93-98
• 6.3 結(jié)果與討論98-101
• 6.3.1 單體和聚合物的紅外表征98
• 6.3.2 聚合物薄膜的掃描電鏡表征98-99
• 6.3.3 聚合物薄膜的偏光顯微鏡表征99
• 6.3.4 聚合物薄膜的熱重分析99-100
• 6.3.5 液晶EDOT膜的電化學(xué)性能100-101
• 6.4 液晶EDOT膜DSSCs的性能表征101-104
• 6.5 本章小結(jié)104-105
• 參考文獻(xiàn)105-106
• 第七章 N,B-摻雜石墨烯的制備及其作為對(duì)電極在DSSCs中的應(yīng)用與研究106-118
• 7.1 前言106
• 7.2 實(shí)驗(yàn)部分106-107
• 7.2.1 N,B-摻雜的石墨烯的制備106-107
• 7.2.2 N,B-摻雜石墨烯對(duì)電極的制備107
• 7.2.3 N,B-摻雜石墨烯對(duì)電極的表征及光伏性能測(cè)試107
• 7.3 結(jié)果與討論107-116
• 7.3.1 N,B-摻雜石墨烯的拉曼表征107-108
• 7.3.2 N,B-摻雜石墨烯的X射線光電子能譜(XPS)表征108-109
• 7.3.3 摻雜石墨烯的比表面積分析109-110
• 7.3.4 N,B-摻雜石墨烯的XRD表征110
• 7.3.5 N,B-摻雜石墨烯的掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)表征110-111
• 7.3.6 N,B-摻雜石墨烯對(duì)電極的電化學(xué)性質(zhì)111-115
• 7.3.7 N,B-摻雜石墨烯的光電性能115-116
• 7.4 本章小結(jié)116-117
• 參考文獻(xiàn)117-118
• 全文總結(jié)118-120
• 攻讀博士學(xué)位期間已取得的研究成果120-121
• 致謝121-122

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