帶有側(cè)鏈鑲嵌基團(tuán)的有機(jī)近紅外光敏染料用于染料敏化太陽(yáng)能電池的研究

【摘要】：染料敏化太陽(yáng)能電池由于具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率和較低的成本已經(jīng)引起了科學(xué)家很大的興趣。大多數(shù)有機(jī)光敏染料分子都是Donor-πSpacer-Acceptor(D-π-A)類型,D-π-A類型光敏染料具有摩爾消光系數(shù)高、分子結(jié)構(gòu)易于設(shè)計(jì)和合成等優(yōu)點(diǎn),因此引起了眾多研究者利用這類染料作為光敏染料的興趣。但是目前所報(bào)導(dǎo)的所有的D-π-A有機(jī)光敏染料,主要有兩個(gè)方面的弊端：一是很難設(shè)計(jì)出吸收光譜區(qū)域達(dá)到近紅外區(qū)域的有機(jī)染料分子；二是難以實(shí)現(xiàn)使染料分子的吸附基團(tuán)與電子受體相分離的設(shè)計(jì)。 到目前為止,已經(jīng)報(bào)導(dǎo)過(guò)幾種近紅外染料,例如芳菁類染料和花染料,但大多數(shù)被報(bào)導(dǎo)的近紅外染料都有一個(gè)主要的缺點(diǎn),就是很難通過(guò)調(diào)節(jié)分子結(jié)構(gòu)來(lái)顯著提高電池的光電性能。因此合成D-π-A類型的有機(jī)近紅外光敏染料是我們理想的選擇。但是大多數(shù)的D-π-A有機(jī)光敏染料都以氰乙烯基乙酸作為電子受體和吸附基團(tuán),光譜吸收主要在紫外可見區(qū)域。由于電子受體與吸附基團(tuán)為同一基團(tuán),這樣想要通過(guò)改變電子接受體和吸附基團(tuán)來(lái)調(diào)節(jié)染料的HOMO-LUMO能級(jí),從而使染料的吸收光譜拓寬到近紅外區(qū)域是非常困難的。 本論文設(shè)計(jì)合成了18個(gè)新型的帶有側(cè)鏈鑲嵌基團(tuán)的有機(jī)近紅外光敏染料和4個(gè)參比染料,這一系列新型的側(cè)鏈染料都是D-π-A型的,電子供體為不同取代的四氫喹啉,以不同長(zhǎng)度的柔性側(cè)鏈羧酸作為作用于半導(dǎo)體表面的吸附基團(tuán),而電子受體是含多個(gè)氰基的幾種強(qiáng)吸電子基團(tuán),以不同的π-橋基相連的電子推拉型光敏染料。相比傳統(tǒng)的D-π-A型有機(jī)光敏染料(用氰乙烯基乙酸同時(shí)作為電子接受體和吸附基團(tuán)),這些染料的吸附基團(tuán)與電子受體部分得到了分離,這樣就更易于通過(guò)調(diào)節(jié)分子結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)光敏染料的軌道能級(jí)和光譜吸收。利用質(zhì)譜、核磁共振氫譜等表征手段,我們對(duì)這些化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征。 光敏染料的結(jié)構(gòu)對(duì)其光物理、電化學(xué)性質(zhì)有著重要的影響。用吸電子能力更強(qiáng)的多氰基基團(tuán)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的吸電子基團(tuán)(氰乙烯基乙酸)作為電子注入基團(tuán),同時(shí)將側(cè)鏈羧酸作為染料的吸附基團(tuán),這樣能增強(qiáng)D-π-A體系的電子推拉作用,可以更好地將染料的吸收光譜拓寬到近紅外區(qū)域,增強(qiáng)染料對(duì)光的捕捉能力。本論文所設(shè)計(jì)合成的染料的HOMO和LUMO能級(jí)同時(shí)滿足了被激發(fā)的電子有效地注入Ti02導(dǎo)帶中,同時(shí)失去電子后的氧化態(tài)染料分子能夠從電解質(zhì)中得到電子而還原再生。 我們發(fā)現(xiàn)通過(guò)改變?nèi)玖系奈娮踊鶊F(tuán)和側(cè)鏈羧酸的柔性鏈長(zhǎng)度,能夠改變?nèi)玖戏肿拥目臻g結(jié)構(gòu),調(diào)節(jié)DSCs的電荷轉(zhuǎn)移產(chǎn)率、IPCE值和光電轉(zhuǎn)換效率。在染料的供電子基中增加柔性的長(zhǎng)碳鏈顯著地提高電池的開路電壓,原因可能是分子中長(zhǎng)碳鏈的引入抑制了分子在Ti02表面聚集而產(chǎn)生的暗電流。在染料的π-橋基中引入噻吩基、長(zhǎng)碳鏈噻吩基或3,4-乙烯基二氧噻吩(EDOT)結(jié)構(gòu)單元,吸收光譜區(qū)域拓寬到了1000 nm左右,這說(shuō)明染料分子結(jié)構(gòu)共軛體系的增大,很大程度地增強(qiáng)了染料分子對(duì)太陽(yáng)光的吸收能力,經(jīng)過(guò)優(yōu)化條件測(cè)試,HY113染料敏化的太陽(yáng)能電池在獲得了最好的光電轉(zhuǎn)換性能,在模擬標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光(AM 1.5,100 mW/cm2)下,總的光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)5.1%,短路電流密度為13.35 mA/cm2,開路電壓為519 mV,填充因子0.73。這是目前所報(bào)道的光電轉(zhuǎn)換效率最高的近紅外光敏染料。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽(yáng)能電池 光敏染料 近紅外染料 D-π-A 側(cè)鏈
【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】：2011
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 引言11-13
• 1 太陽(yáng)能電池的研究背景及發(fā)展13-17
• 1.1 前言13-14
• 1.2 太陽(yáng)能概論14-16
• 1.2.1 太陽(yáng)與太陽(yáng)能14
• 1.2.2 太陽(yáng)常數(shù)和大氣質(zhì)量數(shù)14-15
• 1.2.3 中國(guó)的太陽(yáng)能資源15-16
• 1.2.4 太陽(yáng)能利用的途徑16
• 1.3 太陽(yáng)能電池的分類16-17
• 2 染料敏化太陽(yáng)能電池17-39
• 2.1 引言17
• 2.2 染料敏化太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)和工作原理17-19
• 2.3 衡量太陽(yáng)能電池性能的參數(shù)19-22
• 2.3.1 單色光光電轉(zhuǎn)換效率(IPCE)19-20
• 2.3.2 短路電流密度(J_(SC))20-21
• 2.3.3 開路電壓(V_(OC))21
• 2.3.4 總的光電轉(zhuǎn)換效率(η)21
• 2.3.5 光電流密度-光電壓曲線(J-V)21-22
• 2.4 納米半導(dǎo)體多孔電極22-23
• 2.5 光敏染料23-38
• 2.5.1 光敏染料與納米TiO_2表面的相互作用23-24
• 2.5.2 光敏染料的種類24-38
• 2.6 展望38
• 2.7 選題依據(jù)38-39
• 3 新型帶有側(cè)鏈鑲嵌基團(tuán)的有機(jī)近紅外光敏染料的設(shè)計(jì),合成與表征39-72
• 3.1 引言39
• 3.2 儀器與試劑39-40
• 3.3 新型的帶有側(cè)鏈鑲嵌基團(tuán)的有機(jī)近紅外光敏染料的設(shè)計(jì)40-44
• 3.3.1 用于研究側(cè)鏈作用機(jī)理的光敏染料的設(shè)計(jì)40-42
• 3.3.2 用于改進(jìn)開路電壓的光敏染料的設(shè)計(jì)42-43
• 3.3.3 用于拓寬吸收光譜的光敏染料的設(shè)計(jì)43-44
• 3.4 側(cè)鏈近紅外光敏染料的合成與表征44-71
• 3.4.1 吸電子基和不同側(cè)鏈長(zhǎng)度的四氫喹啉中間體的合成44-54
• 3.4.2 不同側(cè)鏈長(zhǎng)度的己基四氫喹啉中間體的合成54-57
• 3.4.3 不同的橋基中間體的合成57
• 3.4.4 單溴取代的四氫喹啉中間體的合成57-58
• 3.4.5 四氫喹啉中間體與橋基的縮合反應(yīng)58-61
• 3.4.6 單甲?；〈虚g體的合成61-62
• 3.4.7 無(wú)側(cè)鏈的四氫喹啉中間體的合成62-63
• 3.4.8 染料的合成63-71
• 3.5 本章小結(jié)71-72
• 4 電池的組裝、測(cè)試與光敏染料性質(zhì)的測(cè)試方法72-77
• 4.1 引言72
• 4.2 電池的組裝與測(cè)試方法72-75
• 4.2.1 試劑、材料與儀器72
• 4.2.2 染料敏化太陽(yáng)能電池的組裝72-74
• 4.2.3 染料敏化太陽(yáng)能電池的測(cè)試74-75
• 4.3 光敏染料光物理、電化學(xué)性質(zhì)測(cè)試方法75-76
• 4.3.1 紫外可見吸收光譜和熒光發(fā)射光譜測(cè)試75
• 4.3.2 電化學(xué)性質(zhì)測(cè)試75
• 4.3.3 電化學(xué)阻抗測(cè)試75
• 4.3.4 染料在二氧化鈦膜表面的吸附量75-76
• 4.4 本章小結(jié)76-77
• 5 新型側(cè)鏈光敏染料的光物理、電化學(xué)性質(zhì)以及電池的光電轉(zhuǎn)換性能研究77-92
• 5.1 引言77
• 5.2 紫外可見吸收光譜77-80
• 5.3 電化學(xué)性質(zhì)80-83
• 5.4 密度泛函理論計(jì)算83-85
• 5.5 太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換性能85-89
• 5.6 電化學(xué)阻抗譜89-90
• 5.7 本章小結(jié)90-92
• 6 用于提高光電壓的側(cè)鏈光敏染料的光物理、電化學(xué)性質(zhì)以及光電轉(zhuǎn)換性能研究92-101
• 6.1 引言92
• 6.2 紫外可見吸收光譜92-94
• 6.3 電化學(xué)性質(zhì)94-95
• 6.4 密度泛函理論計(jì)算95-96
• 6.5 太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換性能96-98
• 6.6 電化學(xué)阻抗測(cè)試98-99
• 6.7 吸附量測(cè)試99-100
• 6.8 本章小結(jié)100-101
• 7 用于拓寬吸收光譜的側(cè)鏈光敏染料的光物理、電化學(xué)性質(zhì)以及光電性能研究101-111
• 7.1 引言101
• 7.2 紫外可見吸收光譜101-104
• 7.3 電化學(xué)性質(zhì)104-105
• 7.4 密度泛函理論計(jì)算105-106
• 7.5 太陽(yáng)能電池的的光電轉(zhuǎn)換性能106-109
• 7.6 電化學(xué)阻抗譜109-110
• 7.7 本章小結(jié)110-111
• 結(jié)論111-113
• 參考文獻(xiàn)113-120
• 附錄1 名詞縮寫詮釋120-122
• 附錄2 目標(biāo)化合物和參比化合物的結(jié)構(gòu)及名稱122-124
• 創(chuàng)新點(diǎn)摘要124-125
• 作者簡(jiǎn)介125
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況125-127
• 致謝127-128

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新型D-π-A結(jié)構(gòu)光敏染料的合成及性能研究    龐茂印

新型受體基團(tuán)有機(jī)光敏染料的合成及性能研究    劉騰

側(cè)鏈近紅外有機(jī)光敏染料用于染料敏化太陽(yáng)能電池的研究    周美珍

應(yīng)用于染料敏化太陽(yáng)能電池芳胺類染料的設(shè)計(jì)與合成    楊翠翠

含有新型Ⅱ橋的光敏染料的合成與應(yīng)用    張兆輝

芳胺類純有機(jī)染料的設(shè)計(jì)合成及應(yīng)用研究    胡春田

有機(jī)給受體光敏染料的合成與表征    司曉影