以馬來酸酐、喹噁啉和吡啶-N-氧化物為鑲嵌基團(tuán)的光敏劑在染料敏化太陽能電池中的應(yīng)用

【摘要】：作為染料敏化太陽能電池的重要組成部分,設(shè)計(jì)合成新的光敏劑對(duì)提高電池光電轉(zhuǎn)換效率有重要的意義。與傳統(tǒng)的金屬配合物光敏劑相比,純有機(jī)光敏劑具有合成簡(jiǎn)單、摩爾消光系數(shù)較高且結(jié)構(gòu)易于調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)。大多數(shù)純有機(jī)光敏劑都具有D-π-A結(jié)構(gòu),相對(duì)于電子供體的多樣性,作為吸電子和鑲嵌基團(tuán)的電子受體的研究較少。傳統(tǒng)的鑲嵌基團(tuán)主要是羧酸、氰基丙烯酸、膦酸、磺酸等酸性基團(tuán)。 本論文中首先將吸電子能力更強(qiáng)的馬來酸酐作為鑲嵌基團(tuán)合成了染料WA-1和WA-2,染料紫外可見吸收光譜有效拓寬到700nm。將染料組裝電池并進(jìn)行電池性能測(cè)試,由于酸酐在吸附過程中開環(huán),染料的膜上吸收光譜發(fā)生了約150nm的藍(lán)移,短路電流密度較低,WA-2獲得了3.60%的效率。 第二類純有機(jī)光敏劑的電子注入效率較高且能量損失較少,但已發(fā)表的染料結(jié)構(gòu)光譜較窄,效率較低。以喹嗯啉-2,3-二醇為鑲嵌基團(tuán)設(shè)計(jì)合成了WQ-1和WQ-2,結(jié)構(gòu)中雜環(huán)增強(qiáng)了吸電子能力,染料的最大吸收峰有所紅移。通過FTIR測(cè)試和參比染料確定染料吸附方式為羥基吸附。與CDCA共敏化組裝電池,WQ-2獲得了2.25%的效率。 實(shí)驗(yàn)證明吡啶鎓離子作為電子受體可有效拓寬光敏劑的紫外可見吸收光譜,提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。本論文中將吡啶-N-氧化物作為鑲嵌基團(tuán)引入染料結(jié)構(gòu)中,合成了WL101-WL103三種光敏染料,其中WL102獲得了3.72%的光電轉(zhuǎn)換效率,IPCE峰值達(dá)到了95%。經(jīng)過初步結(jié)構(gòu)優(yōu)化,合成了WL201-WL204,其中WL202的光電轉(zhuǎn)換效率提高到3.86%。FTIR測(cè)試結(jié)果確定染料是通過吡啶-N-氧化物與Ti02表面的Br(?)nsted酸位點(diǎn)鍵合吸附的。 引入苯并噻二唑作為橋基合成了具有D-A-A結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的氧化吡啶染料WL301WL305,有效地拓寬了染料的紫外可見吸收光譜,供電子部分引入異辛烷氧基的WL305獲得了6.08%的光電轉(zhuǎn)換效率,并在300-800nm范圍內(nèi)得到了較好的IPCE響應(yīng)值。該系列染料表現(xiàn)了較好的穩(wěn)定性,且紅外測(cè)試表明吸電子橋基的引入沒有影響其吸附性能。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽能電池 馬來酸酐 喹嗯啉 吡啶-N-氧化物
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：O621.13;TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-12
• 圖目錄12-14
• 表目錄14-15
• 主要符號(hào)表15-16
• 1 緒論16-41
• 1.1 太陽能與太陽能電池16-22
• 1.1.1 太陽能簡(jiǎn)介18-21
• 1.1.2 太陽能電池的發(fā)展21-22
• 1.2 染料敏化太陽能電池22-39
• 1.2.1 染料敏化太陽能電池的工作原理23-25
• 1.2.2 染料敏化太陽能電池的性能參數(shù)25-26
• 1.2.3 光陽極材料26-27
• 1.2.4 光敏劑27-38
• 1.2.5 電解質(zhì)38-39
• 1.2.6 對(duì)電極材料39
• 1.3 選題依據(jù)及意義39-41
• 2 光敏染料的制備及測(cè)試方法41-66
• 2.1 酸酐類光敏劑的制備41-44
• 2.1.1 儀器與試劑41
• 2.1.2 染料WA-1和WA-2的合成路線41-44
• 2.2 喹噁啉類光敏染料的制備44-49
• 2.2.1 喹噁啉類光敏染料的結(jié)構(gòu)44-45
• 2.2.2 喹噁啉染料WQ-1和WQ-2的合成與表征45-49
• 2.3 氧化吡啶類光敏染料的制備49-57
• 2.3.1 氧化吡啶類光敏染料的結(jié)構(gòu)49
• 2.3.2 氧化吡啶光敏染料WL101-R-WL204的合成與表征49-57
• 2.4 D-A-A型氧化吡啶染料WL301-WL305的制備57-62
• 2.4.1 染料WL301-WL305的結(jié)構(gòu)57
• 2.4.2 染料WL301-WL305的合成與表征57-62
• 2.5 光敏染料光電性質(zhì)、電池組裝和性能測(cè)試方法62-64
• 2.5.1 光電性質(zhì)測(cè)試方法62-63
• 2.5.2 電池的組裝和性能測(cè)試方法63-64
• 2.6 本章小結(jié)64-66
• 3 酸酐類光敏染料的測(cè)試與電池性能研究66-73
• 3.1 引言66
• 3.2 光敏染料WA-1和WA-2的光電性質(zhì)數(shù)據(jù)66-70
• 3.2.1 WA-1和WA-2紫外可見吸收光譜66-68
• 3.2.2 WA-1和WA-2的電化學(xué)測(cè)試68-69
• 3.2.3 WA-1和WA-2的密度泛函理論計(jì)算69-70
• 3.3 WA-1和WA-2的光電轉(zhuǎn)換性能70-72
• 3.3.1 WA-1和WA-2電池效率和IPCE測(cè)試 #70-71
• 3.3.2 WA-1和WA-2的電化學(xué)阻抗測(cè)試71-72
• 3.4 本章小結(jié)72-73
• 4 喹噁啉類光敏染料的性質(zhì)和電池性能研究73-82
• 4.1 引言73
• 4.2 喹噁啉染料的光電化學(xué)性質(zhì)73-77
• 4.2.1 WQ-1和WQ-2紫外可見吸收光譜73-75
• 4.2.2 WQ-1和WQ-2電化學(xué)測(cè)試75-76
• 4.2.3 WQ-1和WQ-2的量子化學(xué)計(jì)算76-77
• 4.3 WQ-1和WQ-2的光伏性能測(cè)試77-79
• 4.3.1 WQ-1和WQ-2的電池效率和IPCE測(cè)試77-78
• 4.3.2 WQ-1和WQ-2的阻抗測(cè)試78-79
• 4.4 WQ-1和WQ-2的紅外光譜79-81
• 4.5 本章小結(jié)81-82
• 5 氧化吡啶類光敏染料的性質(zhì)和電池性能研究82-94
• 5.1 引言82
• 5.2 氧化吡啶類光敏染料的光電化學(xué)性質(zhì)82-87
• 5.2.1 WL系列染料的紫外可見吸收測(cè)試82-84
• 5.2.2 WL系列染料的電化學(xué)測(cè)試84-86
• 5.2.3 WL系列染料的量子化學(xué)計(jì)算86-87
• 5.3 WL系列染料的電池光伏性能的研究87-91
• 5.3.1 WL系列染料的光電轉(zhuǎn)換效率和IPCE測(cè)試87-90
• 5.3.2 WL系列染料的電化學(xué)阻抗測(cè)試90-91
• 5.4 WL系列染料的紅外光譜91-92
• 5.5 本章小結(jié)92-94
• 6 D-A-A型氧化吡啶類光敏染料的測(cè)試和電池性能研究94-105
• 6.1 引言94
• 6.2 染料WL301-WL305的光電化學(xué)性質(zhì)94-98
• 6.2.1 WL301-WL305的紫外可見吸收光譜94-95
• 6.2.2 WL301-WL305的電化學(xué)測(cè)試95-96
• 6.2.3 WL301-WL305的量子化學(xué)計(jì)算96-98
• 6.3 WL301-WL305的電池的光伏性能研究98-103
• 6.3.1 WL301-WL305的光電轉(zhuǎn)換效率和IPCE測(cè)試98-100
• 6.3.2 WL301-WL305的電池穩(wěn)定性測(cè)試100-101
• 6.3.3 WL301-WL305的阻抗測(cè)試101-102
• 6.3.4 WL301-WL305的紅外測(cè)試102-103
• 6.4 本章小結(jié)103-105
• 7 結(jié)論與展望105-108
• 7.1 結(jié)論105-106
• 7.2 創(chuàng)新點(diǎn)摘要106
• 7.3 展望106-108
• 參考文獻(xiàn)108-117
• 附錄A 縮略詞117-118
• 致謝118-119
• 作者簡(jiǎn)介119
• 攻讀博士學(xué)位期間科研項(xiàng)目及科研成果119

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