染料敏化太陽能電池光電轉(zhuǎn)換材料研究

【摘要】：染料敏化太陽能電池（dye-sensitized solar cells, DSSCs）以其工藝簡單、價格低廉以及環(huán)境友好等眾多優(yōu)點(diǎn)引起了科研工作者的廣泛關(guān)注，是太陽能電池領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。作為捕獲太陽光子的光敏染料則是DSSCs最核心的組成部分，其光物理、電化學(xué)性質(zhì)對于電池器件的性能有極大影響。本論文基于研究分子結(jié)構(gòu)對于光敏染料的光物理、電化學(xué)性質(zhì)以及相應(yīng)器件性能的影響為目標(biāo)，從簡單棒狀D-π-A型光敏染料出發(fā)，在其電子給體外圍引入新的次級電子給體設(shè)計(jì)、制備了一系列星射狀2D-D-π-A型光敏染料，并且最終實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換效率的大幅提高。利用質(zhì)譜、核磁共振等對光敏染料結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。在結(jié)構(gòu)表征的基礎(chǔ)上進(jìn)一步測試了光敏染料的光物理、電化學(xué)性質(zhì)，并將其應(yīng)用于DSSCs，初步探討了光敏染料結(jié)構(gòu)與電池性能之間的構(gòu)效關(guān)系。 對于不同電子給體（咔唑、吩噻嗪以及二苯胺）的棒狀D-π-A型光敏染料而言，由于二苯胺的給電子能力較強(qiáng)，所以二苯胺為電子給體的光敏染料L0比以咔唑?yàn)殡娮咏o體的TC301以及吩噻嗪為電子給體的WD1具有更好的光吸收性能。三者之中， L0具有更正的基態(tài)氧化還原電位，最容易從電解質(zhì)中得到電子而還原再生。光伏性能測試表明，相比TC301與WD1，L0的光伏性能最好，這是由于L0中二苯胺較強(qiáng)的給電子能力造成的。三個電池光伏性能的差異通過測試電化學(xué)阻抗得到了合理的解釋。L0敏化的電池獲得了最好的光伏性能，光電轉(zhuǎn)換效率為2.03%（J_(sc)=4.78mA cm~(-2)，V_(oc)=608mV，ff=0.70）。 通過在光敏染料L0中分別引入1個和2個富硫單元DTF作為次級電子給體制備得到了D-D-π-A型光敏染料WD2和星射狀2D-D-π-A型WD3。由于給電子單元DTF的引入，一方面改善了染料的光吸收性能；另一方面則在一定程度上抑制了染料的聚集。兩個光敏染料的HOMO、LUMO能級均滿足DSSCs染料的要求。光伏性能測試表明，DTF單元的引入能夠提高染料的光伏性能，且隨著DTF單元數(shù)量的增加，相應(yīng)光敏染料的光電轉(zhuǎn)換效率也隨之增加。通過電池的電化學(xué)阻抗闡明了上述光敏染料展現(xiàn)不同光伏性能的原因。含有2個DTF單元的星射狀光敏染料WD3獲得了最好的光伏性能，光電轉(zhuǎn)換效率為4.41%（J_(sc)=9.58mA cm~(-2)，V_(oc)=648mV，ff=0.71）。 在光敏染料L0的結(jié)構(gòu)中分別引入富電子單元吩噻嗪和咔唑作為次級電子給體，以氰基乙酸和羅丹寧-3-乙酸為電子受體制備了星射狀2D-D-π-A型光敏染料WD4-7。相比于氰基乙酸為電子受體的光敏染料WD4、WD6而言，羅丹寧-3-乙酸為電子受體的染料WD5、WD7的吸收發(fā)生了明顯的紅移，這歸因于羅丹寧-3-乙酸較強(qiáng)的吸電子能力。此外，吩噻嗪以及咔唑的引入構(gòu)成了非共面性更好的星射狀結(jié)構(gòu)，能夠有效抑制光敏染料在TiO2表面的聚集。光伏性能測試表明，羅丹寧-3-乙酸作為電子受體的光敏染料WD5、WD7的光伏性能較氰基乙酸作為電子受體的光敏染料WD4、WD6的性能要差，這是由于羅丹寧-3-乙酸上亞甲基的存在，使得光敏染料LUMO能級上電子云主要集中在羅丹寧主體上而不是羧酸基上，電子云和TiO2的3d軌道重疊不完全而導(dǎo)致較低的電子注入效率造成的。以吩噻嗪為次級電子給體、氰基乙酸為電子受體的光敏染料WD4獲得了最好的光伏性能，光電轉(zhuǎn)換效率為4.54%（J_(sc)=8.7mA cm~(-2)，V_(oc)=660mV，ff=0.79）。 在光伏性能相對較好的光敏染料WD4中分別引入了苯、噻吩以及呋喃單元作為共軛橋鏈制備了星射狀2D-D-π-A型光敏染料WD8-10，研究了不同共軛橋鏈對于光敏染料性能的影響。由于噻吩和呋喃的給電子能力比苯環(huán)強(qiáng)，導(dǎo)致光敏染料（1）HOMO與LUMO能級差減小，吸收向長波方向移動；（2）基態(tài)氧化還原電位降低。光伏性能測試表明，在添加CDCA共吸附劑的情況下，三個光敏染料的光伏性能都下降了，這一結(jié)果說明具有星射狀結(jié)構(gòu)的這些光敏染料在TiO2表面的聚集并不明顯，CDCA的加入反而減少了光敏染料的吸附量，從而導(dǎo)致了光伏性能的下降。以呋喃為共軛橋鏈的光敏染料WD10得到了最高的光電轉(zhuǎn)換效率6.79%，參比染料N3得到了8.0%的光電轉(zhuǎn)換效率。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽能電池 光敏染料 吩噻嗪 三苯胺 光伏性能
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 緒論13-36
• 1.1 引言13-14
• 1.2 染料敏化太陽能電池14-35
• 1.2.1 染料敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)及原理15-17
• 1.2.2 衡量染料敏化太陽能電池性能的指標(biāo)17-19
• 1.2.3 光敏染料的研究進(jìn)展19-35
• 1.3 本論文選題及主要工作35-36
• 第二章 光敏染料的制備以及電池器件的組裝36-49
• 2.1 光敏染料的制備36-45
• 2.1.1 原料與試劑38
• 2.1.2 表征儀器38
• 2.1.3 吩噻嗪光敏染料的制備38-39
• 2.1.4 富硫單元修飾三苯胺光敏染料的制備39-40
• 2.1.5 新型星射狀光敏染料的制備40-43
• 2.1.6 不同共軛橋鏈的星射狀光敏染料的制備43-45
• 2.2 染料光物理、電化學(xué)性質(zhì)測試方法45
• 2.3 電池器件組裝以及光伏性能測試45-48
• 2.3.1 電池器件的組裝46-47
• 2.3.2 電池性能測試方法47-48
• 2.4 本章小結(jié)48-49
• 第三章 不同電子給體對光敏染料性能的影響49-58
• 3.1 引言49
• 3.2 紫外-可見吸收光譜49-52
• 3.3 電化學(xué)性質(zhì)52-53
• 3.4 光伏性能研究53-55
• 3.5 電化學(xué)阻抗研究55-56
• 3.6 密度泛函理論計(jì)算56-57
• 3.7 本章小結(jié)57-58
• 第四章 富硫單元修飾三苯胺光敏染料的研究58-68
• 4.1 引言58-59
• 4.2 紫外-可見吸收光譜59-62
• 4.3 電化學(xué)性質(zhì)62-63
• 4.4 光伏性能研究63-64
• 4.5 電化學(xué)阻抗研究64-66
• 4.6 密度泛函理論計(jì)算66-67
• 4.7 本章小結(jié)67-68
• 第五章 星射狀三苯胺光敏染料的研究68-79
• 5.1 引言68-69
• 5.2 紫外-可見吸收光譜69-72
• 5.3 電化學(xué)性質(zhì)72-73
• 5.4 光伏性能研究73-75
• 5.5 電化學(xué)阻抗研究75-77
• 5.6 密度泛函理論計(jì)算77-78
• 5.7 本章小結(jié)78-79
• 第六章 共軛橋鏈對于星射狀光敏染料性能的影響79-89
• 6.1 引言79
• 6.2 紫外-可見吸收光譜79-81
• 6.3 電化學(xué)性質(zhì)81-83
• 6.4 光伏性能研究83-85
• 6.5 電化學(xué)阻抗譜研究85-86
• 6.6 密度泛函理論計(jì)算86-88
• 6.7 本章小結(jié)88-89
• 第七章 結(jié)論與展望89-92
• 7.1 全文總結(jié)89-90
• 7.2 主要創(chuàng)新點(diǎn)90-91
• 7.3 展望91-92
• 致謝92-93
• 參考文獻(xiàn)93-103
• 攻博期間取得的研究成果103-106

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