芳胺染料在溴（碘）基染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用

【摘要】： 在染料敏化太陽(yáng)能電池(Dye-sensitized Solar Cell, DSC)中,光敏染料吸收太陽(yáng)光并將激發(fā)態(tài)電子注入到納米半導(dǎo)體二氧化鈦(TiO2)的導(dǎo)帶,同時(shí)產(chǎn)生的氧化態(tài)染料分子快速地被電解質(zhì)中的氧化還原電對(duì)還原再生。光敏染料是DSC獲得高光電轉(zhuǎn)換效率和長(zhǎng)壽命的決定因素之一。為了降低DSC的成本,純有機(jī)光敏染料作為貴金屬配合物光敏染料的替代品,在近年來(lái)成為光敏染料的研究熱點(diǎn)并取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。 基于純有機(jī)光敏染料的應(yīng)用前景,本論文共設(shè)計(jì)合成了23個(gè)以三苯胺、吩噻嗪和咔唑?yàn)殡娮咏o體(Donor, D)、氰基羧乙烯基為電子受體(Acceptor, A)、并通過(guò)不同的π-橋基(π-conjugation)相連的D-π-A電子推拉型芳胺類純有機(jī)光敏染料。利用質(zhì)譜(MS)、核磁共振氫譜(1H-NMR)對(duì)這些染料進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征。研究了這些染料的光物理、電化學(xué)性質(zhì),并將其分別應(yīng)用于碘基電解質(zhì)和溴基電解質(zhì)DSC,系統(tǒng)地考察了染料結(jié)構(gòu)與電池性能之間的關(guān)系。 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。在染料π-橋基中引入三鍵或蒽結(jié)構(gòu)單元,同時(shí)調(diào)節(jié)染料分子結(jié)構(gòu)的共面性,可以有效地增大π-橋基的共軛體系和拓寬染料的吸收光譜,從而增強(qiáng)染料對(duì)光的捕捉能力。所有染料的最低空余軌道(Lowest Unoccupied Molecular Orbital, LUMO)和最高占有軌道(Highest Occupied Molecular Orbital, HOMO)能級(jí)分別滿足了激發(fā)態(tài)染料分子向TiO2導(dǎo)帶中注入電子和氧化態(tài)染料分子從碘基電解質(zhì)中得到電子而還原再生的能級(jí)匹配要求。以三苯胺和咔唑?yàn)殡娮咏o體、氰基羧乙烯基為電子受體的芳胺染料TC301-TC308的HOMO能級(jí)都要比溴基電解質(zhì)電勢(shì)更正,同時(shí)也滿足了氧化態(tài)染料分子從溴基電解質(zhì)中得到電子而還原再生的能級(jí)匹配要求。 在染料的π-橋基中引入三鍵,能提高電子轉(zhuǎn)移產(chǎn)率、單色光光電轉(zhuǎn)換效率(Incident Photon-to-current Conversion Efficiency, IPCE)和電池的光電轉(zhuǎn)換效率。而在染料的π-橋基中引入蒽結(jié)構(gòu)單元能極大得提高電子在TiO2膜中的壽命,抑制電子復(fù)合,從而提高電池的開(kāi)路電壓(Voc)。通過(guò)優(yōu)化染料吸收光譜和分子共面性,以三苯胺為電子給體、氰基羧乙烯基為電子受體、π-橋基中含有三鍵的染料TC103敏化DSC實(shí)現(xiàn)了5.00%的光電轉(zhuǎn)換效率,而以三苯胺為電子給體、氰基羧乙烯基為電子受體、π-橋基中含有蒽結(jié)構(gòu)單元的染料TC501敏化DSC實(shí)現(xiàn)了7.03%的光電轉(zhuǎn)換效率 用溴基電解質(zhì)代替碘電解質(zhì)后，因?yàn)殡娊赓|(zhì)中氧化還原電對(duì)電勢(shì)和TiO2費(fèi)米能級(jí)之間能差的增大和電子復(fù)合的抑制,電池開(kāi)路電壓大幅度提高。對(duì)于HOMO能級(jí)比溴基電解質(zhì)電勢(shì)更正的染料,其被碘基電解質(zhì)和溴基電解質(zhì)還原再生的驅(qū)動(dòng)力都是足夠的,所以其能有效地被碘基電解質(zhì)和溴基電解質(zhì)還原再生。而對(duì)于HOMO能級(jí)和溴基電解質(zhì)電勢(shì)相比不夠正的染料,其被碘基電解質(zhì)還原再生的驅(qū)動(dòng)力是足夠的,而被溴基電解質(zhì)還原再生的驅(qū)動(dòng)力卻是不夠的,所以其只能有效地被碘基電解質(zhì)還原再生,而不能被溴基電解質(zhì)有效地還原再生。在使用溴基電解質(zhì)的情況下,染料TC301敏化DSC實(shí)現(xiàn)了高達(dá)1.156 V的開(kāi)路電壓和3.68%的光電轉(zhuǎn)換效率,而染料TC305敏化DSC在實(shí)現(xiàn)了5.22%的高光電轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)保持了0.939 V的高開(kāi)路電壓。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽(yáng)能電池 芳胺光敏染料 三鍵 蒽 溴基電解質(zhì)
【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】：2010
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 引言11-12
• 1 文獻(xiàn)綜述12-36
• 1.1 太陽(yáng)能及太陽(yáng)能電池12-16
• 1.1.1 緒論12-13
• 1.1.2 太陽(yáng)能13-14
• 1.1.3 太陽(yáng)能電池的發(fā)展和分類14-16
• 1.2 染料敏化太陽(yáng)能電池(DSC)16-36
• 1.2.1 引言16-17
• 1.2.2 電池的結(jié)構(gòu)和工作原理17-18
• 1.2.3 衡量電池性能的指標(biāo)18-20
• 1.2.4 寬帶隙半導(dǎo)體多孔電極20-21
• 1.2.5 光敏染料21-32
• 1.2.6 電解質(zhì)32-33
• 1.2.7 對(duì)電極33-34
• 1.2.8 展望34
• 1.2.9 選題依據(jù)34-36
• 2 芳胺光敏染料的設(shè)計(jì)、合成與表征36-68
• 2.1 引言36
• 2.2 儀器與試劑36-37
• 2.3 π-橋基含有三鍵芳胺染料的設(shè)計(jì)、合成與表征37-47
• 2.3.1 分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)38-40
• 2.3.3 合成方法與表征40-47
• 2.4 π-橋基含有蒽結(jié)構(gòu)單元芳胺染料的設(shè)計(jì)、合成與表征47-59
• 2.4.1 分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)47-48
• 2.4.2 合成路線48-50
• 2.4.3 合成方法與表征50-59
• 2.5 應(yīng)用于溴基DSC的芳胺染料的設(shè)計(jì)、合成與表征59-67
• 2.5.1 分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)62
• 2.5.2 合成路線62
• 2.5.3 合成與表征62-67
• 2.6 本章小結(jié)67-68
• 3 電池的組裝、測(cè)試與光敏染料性質(zhì)的測(cè)試68-72
• 3.1 引言68
• 3.2 電池的組裝與測(cè)試68-71
• 3.2.1 試劑、材料與儀器68-69
• 3.2.2 電池的組裝69-70
• 3.2.3 電池的測(cè)試70-71
• 3.3 光敏染料光物理、電化學(xué)性質(zhì)的測(cè)試71
• 3.3.1 紫外可見(jiàn)吸收光譜和熒光發(fā)射光譜測(cè)試71
• 3.3.2 電化學(xué)性質(zhì)測(cè)試71
• 3.3.3 瞬態(tài)吸收和動(dòng)力學(xué)測(cè)試71
• 3.3.4 電化學(xué)阻抗測(cè)試71
• 3.4 本章小結(jié)71-72
• 4 π-橋基含有三鍵芳胺染料的光物理、電化學(xué)性質(zhì)以及光電轉(zhuǎn)換性能72-84
• 4.1 引言72
• 4.2 紫外可見(jiàn)吸收光譜72-75
• 4.3 電化學(xué)性質(zhì)75-78
• 4.4 密度泛函理論計(jì)算78-79
• 4.5 電池的光電轉(zhuǎn)換性能79-81
• 4.6 電化學(xué)阻抗譜81-83
• 4.7 本章小結(jié)83-84
• 5 π-橋基含有蒽結(jié)構(gòu)單元芳胺染料的光物理、電化學(xué)性質(zhì)以及光電轉(zhuǎn)換性能84-94
• 5.1 引言84
• 5.2 紫外可見(jiàn)吸收光譜84-87
• 5.3 電化學(xué)性質(zhì)87-89
• 5.4 密度泛函理論計(jì)算89
• 5.5 電池的光電轉(zhuǎn)換性能89-91
• 5.6 蒽結(jié)構(gòu)單元在染料π-橋基中的引入對(duì)電池性能的影響91-93
• 5.7 本章小結(jié)93-94
• 6 應(yīng)用于溴基DSC的芳胺染料的光物理、電化學(xué)性質(zhì)以及光電轉(zhuǎn)換性能94-109
• 6.1 引言94-95
• 6.2 紫外可見(jiàn)吸收光譜95-97
• 6.3 電化學(xué)性質(zhì)97-98
• 6.4 Li~+離子效應(yīng)對(duì)染料光物理、電化學(xué)性質(zhì)的影響98-99
• 6.5 密度泛函理論計(jì)算99-100
• 6.6 電池的的光電轉(zhuǎn)換性能100-102
• 6.7 電池的的光電流工作譜102-104
• 6.8 電化學(xué)阻抗譜104-105
• 6.9 電子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)105-107
• 6.10 本章小結(jié)107-109
• 結(jié)論109-111
• 參考文獻(xiàn)111-121
• 附錄1 名詞及試劑縮寫(xiě)詮釋121-123
• 附錄2 目標(biāo)化合物和參比化合物的結(jié)構(gòu)及名稱123-126
• 創(chuàng)新點(diǎn)摘要126-127
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況127-129
• 致謝129-130
• 作者簡(jiǎn)介130-132

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