染料敏化太陽能電池敏化劑的合成及其性能研究

【摘要】：當今世界，能源和環(huán)境問題日益突出，各國都在不斷尋求和開發(fā)清潔的和相對可持久利用的新能源，在這樣的背景下太陽能電池應(yīng)運而生。自1991年以來，染料敏化太陽能電池受到越來越多的科研工作者的關(guān)注，而染料敏化劑更是研究的重點之一。 基于當前有機染料敏化劑大部分是D-π-A結(jié)構(gòu)，本論文按照這樣的思路設(shè)計合成了三種有機染料MX11-13，考慮到三苯胺是良好的供電基團以及增強整個分子的溶解性等各方面因素，采用聯(lián)有兩個己氧基的三苯胺基團作為供電基團；π共軛橋我們選擇苯基和苯酚的衍生物，這是此三種染料的設(shè)計創(chuàng)新點，也是本論文考察的重點，即不同共軛橋聯(lián)的染料的性能差異及原因。 本論文以苯酚，對二苯甲醛，三苯胺，對碘苯酚等為原料，經(jīng)過氧化、還原、NBS溴代、Vilsmeier-Haack反應(yīng)，wittig反應(yīng)，以及Knoevenagel縮合等反應(yīng)，成功合成出三種新型染料MX11-13，并對三種目標化合物以及未見文獻報道的中間體分別進行了紅外、熔點、氫譜、碳譜和質(zhì)譜等表征。對三種有機染料的光學(xué)性能、電化學(xué)性能以及光伏性能等進行了細致的研究。 三種染料MX11-13在400 nm~600 nm之間均有兩個特征吸收峰，在可見光區(qū)的最大吸收峰值分別位于453，453和472 nm處，這是染料分子結(jié)構(gòu)中烷氧取代基的存在和分子幾何結(jié)構(gòu)共同作用的結(jié)果；并且三種染料的HOMO–LUMO的能級與TiO2能級相匹配，這些表明該三種染料具備作為染料敏化太陽能電池敏化劑的基本條件。通過對染料MX11-13的DSSC光伏性能的研究，得出三者的光電轉(zhuǎn)化效率，其中MX13的光電轉(zhuǎn)化效率(η)達到了7.02%，短路電流密度(Jsc)為15.50 mA cm-2,開路電壓(Voc)為697 mV,填充因子(ff)為0.65，其效率高于MX11和MX12。三種染料的電荷轉(zhuǎn)移阻抗MX11 (54 ) MX13 (82 ) MX12 (151 )，表明電子復(fù)合降低ηcoll從而導(dǎo)致IPCE值降低。染料聚集是MX11效率低的另一原因，通過加入CDCA可以使其得到改善。 本論文還設(shè)計了兩種釕基染料，多吡啶釕染料因其結(jié)構(gòu)在可見光區(qū)有較寬的吸收光譜，并且有良好的激發(fā)反應(yīng)活性和氧化還原性、氧化態(tài)和激發(fā)態(tài)壽命較長且保持著目前最高的光電轉(zhuǎn)換效率。由于合成路線需要摸索和時間的關(guān)系，本論文只完成了部分合成工作。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽能電池 染料敏化劑 光電轉(zhuǎn)換效率 光伏性能
【學(xué)位授予單位】：天津理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 引言9-10
• 第一章 文獻綜述10-25
• 1.1 太陽能概述10
• 1.2 太陽能電池的發(fā)展過程及其分類10-12
• 1.3 染料敏化太陽能電池（DSSC）12-14
• 1.3.1 DSSC 基本結(jié)構(gòu)12
• 1.3.2 DSSC 工作原理12-13
• 1.3.3 DSSC 性能的評價指標13-14
• 1.4 DSSC 的光陽極14-15
• 1.5 DSSC 的對電極15-16
• 1.6 DSSC 的電解質(zhì)16
• 1.7 染料敏化劑16-24
• 1.7.1 染料敏化劑須滿足的條件16-17
• 1.7.2 染料敏化劑的分類及發(fā)展狀況17-24
• 1.8 本文研究的內(nèi)容24-25
• 第二章 染料的合成25-42
• 2.1 原料、試劑與儀器、設(shè)備25-26
• 2.2 試劑的純化26-27
• 2.3 有機染料的合成27-37
• 2.3.1 合成路線27-29
• 2.3.2 具體的合成步驟29-37
• 2.4 釕基染料的合成37-41
• 2.5 本章小結(jié)41-42
• 第三章 DSSC 的制備及其性能測試42-55
• 3.1 太陽能電池的制備42-44
• 3.2 染料敏化太陽能電池的測試44-46
• 3.3 測試結(jié)果與討論46-54
• 3.3.1 染料 MX11-13 光譜特征46-48
• 3.3.2 染料 MX11-13 電化學(xué)特征48-49
• 3.3.3 染料 MX11-13 光伏性能特征49-50
• 3.3.4 短路電流密度和表面電子復(fù)合、LUMO、染料聚集的關(guān)系50-53
• 3.3.5 密度泛函量化計算53-54
• 3.4 本章小結(jié)54-55
• 第四章 結(jié)論55-57
• 參考文獻57-62
• 發(fā)表論文和科研情況說明62-63
• 致謝63-64

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