應(yīng)用于染料敏化太陽能電池的新型染料的制備及其性能研究

【摘要】：染料敏化納米晶體太陽能電池（DSSC）是一種非常有前途的清潔太陽能裝置。染料敏化劑是（DSSC）的重要組成部分，其性能的高低直接影響了電池的光電轉(zhuǎn)化效率。到目前為止，由釕配合物作為光敏劑制得的染料敏化太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率效率相對較高，接近12%，但是重金屬釕元素在地殼中含量較低并且具有較大毒性的缺點(diǎn)制約了它的發(fā)展，純有機(jī)染料具有分子結(jié)構(gòu)多樣、制備過程簡單、可以通過對染料分子結(jié)構(gòu)的簡單修飾實(shí)現(xiàn)對光譜吸收的調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)，因此備受關(guān)注。 目前，人們設(shè)計(jì)的有機(jī)染料分子主要集中在對電子給體和π共軛單元的結(jié)構(gòu)修飾上，而受體單元的變化很少，基本都是氰基乙酸或繞丹寧乙酸。本文通過調(diào)節(jié)受體單元，同時(shí)引入不同的π單元，制備了一系列具有D-π-A結(jié)構(gòu)的有機(jī)染料，并對其電池器件性能進(jìn)行表征。主要內(nèi)容如下： （1）我們選擇以二己氧基三苯胺作為電子給體基團(tuán)，以拉電子的丙二酸作為電子受體基團(tuán)，以雙鍵、呋喃、噻吩作為π單元合成了一系列雙齒染料ZH-1、ZH-2和ZH-3。測定了染料在CHCl_3中的紫外-可見吸收及熒光發(fā)射光譜。染料在溶液中的最大吸收波長和最大發(fā)射波長隨著雜原子給電子能力增強(qiáng)發(fā)生了紅移。染料在最大吸收波長處的摩爾消光系數(shù)也發(fā)生類似的變化。 染料的光電器件性能測試結(jié)果表明，3個(gè)染料的IPCE最大吸收超過80%，電池效率分別位于3.0-4.5%之間，隨著染料π系統(tǒng)雜原子給電子能力的增強(qiáng)，短路光電流明顯增大，相應(yīng)的器件效率也有一定的提高。 （2）在以丙二酸二乙酯作為電子受體基團(tuán)、二己氧基三苯胺作為電子給體基團(tuán)的基礎(chǔ)上，引入氰基（吸電子基和助色團(tuán)），以雙鍵、呋喃、噻吩作為π單元合成有機(jī)染料：ZH-4、ZH-5、ZH-6。測定了染料在CHCl_3中的紫外-可見吸收及熒光發(fā)射光譜。染料在溶液中的最大吸收波長和最大發(fā)射波長隨著雜原子給電子能力增強(qiáng)發(fā)生了紅移。 染料的光電器件性能測試結(jié)果表明，3個(gè)染料的電池效率分別位于3.3-4.5%之間。相對于不帶氰基的染料，其光譜吸收范圍變寬，IPCE最大值亦有所增大，短路光電流明顯增大，開路電壓減小。器件效率有所增加。 （3）我們在電子受體氰乙酸乙脂上引入氰基（吸電子基和助色團(tuán)），得到具有雙氰基的新型染料ZH-7、ZH-8和ZH-9。同單氰基丙烯酸染料相比，染料最大吸收波長分別紅移了100nm左右。光譜分析結(jié)果表明，受體結(jié)構(gòu)中，氰基的引入使染料的最大吸收波長大幅紅移，消光系數(shù)顯著提高。但是，由于雙氰基的引入造成染料分子LUMO降幅過大使器件電子注入效率大幅下降造成此類染料相對于單氰基染料的器件性能顯著下降。 【關(guān)鍵詞】：太陽能電池 染料敏化 有機(jī)染料 電子受體 π共軛系統(tǒng)
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 中文摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 前言10-31
• 1.1 染料敏化納米晶太陽能電池的概述11-13
• 1.1.1 DSSC 的基本結(jié)構(gòu)11-12
• 1.1.2 DSSC 的光電轉(zhuǎn)化過程12-13
• 1.1.3 DSSC 的性能表征參數(shù)13
• 1.2 染料敏化劑的研究進(jìn)展13-29
• 1.2.1 金屬配合物染料13-22
• 1.2.2 純有機(jī)染料22-29
• 1.3 論文選題的研究內(nèi)容及意義29-31
• 第二章 丙二酸雙齒受體染料的制備及其光電性能研究31-44
• 2.1 引言31
• 2.2 合成實(shí)驗(yàn)部分31-38
• 2.2.1 合成路線設(shè)計(jì)31-32
• 2.2.2 儀器、試劑32-33
• 2.2.3 實(shí)驗(yàn)過程33-38
• 2.2.4 合成討論及結(jié)構(gòu)解析38
• 2.3 染料的光電性能38-42
• 2.3.1 主要儀器及試劑38-39
• 2.3.2 紫外-可見光吸收光譜及熒光發(fā)射光譜39-40
• 2.3.3 染料的電池器件性能40-42
• 2.4 本章小結(jié)42-44
• 第三章 含氰基雙齒受體染料的制備及其光電性能研究44-54
• 3.1 引言44-45
• 3.2 合成實(shí)驗(yàn)部分45-49
• 3.2.1 合成路線設(shè)計(jì)45-46
• 3.2.2 儀器及試劑46
• 3.2.3 實(shí)驗(yàn)過程46-49
• 3.2.4 合成討論及結(jié)構(gòu)解析49
• 3.3 染料的光電性能49-53
• 3.3.1 主要儀器及試劑49
• 3.3.2 紫外-可見吸收及發(fā)射光譜49-51
• 3.3.3 染料的電池器件性能51-53
• 3.4 本章小結(jié)53-54
• 第四章 雙氰基丙烯酸受體染料的制備及其光電性能研究54-64
• 4.1 引言54-55
• 4.2 合成實(shí)驗(yàn)部分55-60
• 4.2.1 合成路線設(shè)計(jì)55-56
• 4.2.2 儀器和試劑56
• 4.2.3 實(shí)驗(yàn)過程56-59
• 4.2.4 合成討論及結(jié)構(gòu)解析59-60
• 4.3 染料的光電性能60-63
• 4.3.1 主要儀器及試劑60
• 4.3.2 紫外-可見光吸收光譜及熒光發(fā)射光譜60-61
• 4.3.3 染料的電池器件性能61-63
• 4.4 本章小結(jié)63-64
• 參考文獻(xiàn)64-72
• 結(jié)論72-74
• 附錄 1：主要中間體及染料的~1H NMR74-86
• 附錄 2：染料的~(13)C NMR86-91
• 附錄 3：染料紅外譜圖91-97
• 致謝97

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