新型卟啉染料的設(shè)計與合成及其在染料敏化太陽能電池中的應(yīng)用

【摘要】：染料敏化太陽能電池(Dye-sensitized solar cell, DSC)是近年來迅速發(fā)展起來的一種新型的模擬自然界光合成原理的光伏電池。由于其制作工藝簡便、原材料豐富且對環(huán)境友好,受到了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。理論上,DSC的能量轉(zhuǎn)換效率能達到33%-36%,這充分說明其有潛力取代目前成本高昂、污染嚴(yán)重的硅太陽能電池。但是迄今為止報道的效率仍然只有11%-13%,有待進一步提高。拓寬吸收光譜,提高太陽光利用率是提高DSC能量轉(zhuǎn)換效率的重要手段。 DSC對光的利用主要是由光敏染料的性能決定。目前應(yīng)用于DSC中性能最好的的光敏染料主要是傳統(tǒng)的釕系染料和純有機染料,但是釕系染料由于結(jié)構(gòu)簡單,難以進行修飾改性,純有機染料雖然結(jié)構(gòu)豐富,易于改性,但是其主要吸收峰都在400nm-500nm之間,對太陽光的利用率非常低,這也直接導(dǎo)致基于這兩類染料的DSC在能量轉(zhuǎn)換效率上很難再進一步提升。 卟啉類染料具有其獨特優(yōu)勢,由于卟啉環(huán)上可修飾位置多,且其對光的利用率高,近年來成為DSC領(lǐng)域的研究熱點。卟啉染料的特征吸收帶Soret帶在400nm-500nm之間,且摩爾吸光系數(shù)一般在105以上；而隨著結(jié)構(gòu)對稱性的改變,會出現(xiàn)多個Q帶,通常其吸收分布在500nm-700nm之間,這使得卟啉染料能充分利用整個可見光區(qū)域。現(xiàn)在基于卟啉類染料DSC的能量轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達到12.3%,這也是目前DSC的最高效率。因此,卟啉類敏化劑對進一步提升DSC的能量轉(zhuǎn)換效率是非常有前景的。在眾多的卟啉敏化劑中,具有推拉電子結(jié)構(gòu)的D-A型卟啉染料性能最佳。其中電子給體部分主要是二苯胺、三苯胺及其衍生物,種類比較單一。二芴胺是一種很好的電子供體,應(yīng)用于純有機染料中取得了較好效果。因此,本論文的研究重點是設(shè)計合成以二芴胺為電子供體的高效D-A型卟啉染料。 本論文首次提出將二芴胺作為電子供體引入到卟啉染料中,在設(shè)計過程中,考慮到卟啉類染料溶解性較差的問題,首先在芴的9位上連接兩個長烷基鏈,合成具有4個己基鏈的電子供體N,N’-二-(9,9,-二己基-2-芴基)胺,再將其連接到卟啉環(huán)上,合成了卟啉敏化劑WP-1和WP-2。染料WP-1在400nm-700nm之間有三個特征吸收帶,在424nm處的Soret帶的摩爾吸光系數(shù)達到了2*105以上,Q帶的吸收末端到達670nm處,染料WP-2在400nm-700nm之間也有三個特征吸收帶,在441nm處的Soret帶的摩爾吸光系數(shù)同樣達到了2*105以上,Q帶的最大吸收峰在660nm,吸收末端到達720nm處,是目前光譜響應(yīng)最好的卟啉染料,表明WP-2對整可見光區(qū)的太陽光有較強的吸收能力。將兩種敏化劑應(yīng)用于DSC中,電池的能量轉(zhuǎn)換效率分別達到了4.01%和6.82%,封裝測試后WP-2最高能量轉(zhuǎn)換效率達到7.07%,在自然光下,經(jīng)過500小時后,效率仍能維持在最高效率的98%。充分展示了二芴胺作為電子供體,非常適合于推拉電子結(jié)構(gòu)的卟啉染料,為今后進一步研究將二芴胺衍生物引入到卟啉染料中奠定了基礎(chǔ),豐富了用于卟啉染料的電子供體的種類。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽能電池 敏化劑 卟啉 N N’-二-(9 9’-二己基-2-芴基)胺
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(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4-6
• Abstract6-10
• 引言10-11
• 1 綜述11-31
• 1.1 前言11-12
• 1.2 可再生能源12
• 1.3 太陽能12-14
• 1.3.1 太陽光譜13
• 1.3.2 太陽能的特點13-14
• 1.3.3 太陽能利用14
• 1.4 太陽能電池14-15
• 1.4.1 太陽能電池發(fā)展14-15
• 1.4.2 太陽能電池的分類15
• 1.5 染料敏化太陽能電池(DSC)15-20
• 1.5.1 DSC基本結(jié)構(gòu)及工作原理16-17
• 1.5.2 DSC性能評價方法17-20
• 1.6 DSC研究概況20-23
• 1.6.1 納米半導(dǎo)體光陽極20-21
• 1.6.2 電解質(zhì)21-22
• 1.6.3 對電極22-23
• 1.6.4 敏化劑23
• 1.7 卟啉敏化劑研究進展23-29
• 1.7.1 卟啉化合物簡介23
• 1.7.2 卟啉敏化劑研究進展23-27
• 1.7.3 卟啉敏化劑中電子供體研究現(xiàn)狀27-29
• 1.8 選題依據(jù)、研究內(nèi)容和研究意義29-31
• 1.8.1 選題依據(jù)29-30
• 1.8.2 本論文研究內(nèi)容及意義30-31
• 2 D-A型卟啉染料的設(shè)計與合成31-46
• 2.1 實驗儀器與試劑31-32
• 2.1.1 實驗儀器及其規(guī)格31-32
• 2.2 D-A型卟啉染料的設(shè)計、合成與表征32-46
• 2.2.1 分子設(shè)計32-35
• 2.2.2 N,N’-二-(9,9’-二己基芴)胺的合成35-37
• 2.2.3 A-A型卟啉染料WP-0的合成37-40
• 2.2.4 D-A型卟啉染料WP-1的合成40-42
• 2.2.5 D-A型卟啉染料WP-2的合成42-46
• 3 卟啉染料在染料敏化太陽能電池中的應(yīng)用46-63
• 3.1 卟啉染料WP-0的性質(zhì)研究46-52
• 3.1.1 WP-0敏化劑光譜性質(zhì)研究46-47
• 3.1.2 WP-0敏化劑電化學(xué)性質(zhì)研究47-49
• 3.1.3 WP-0敏化劑在染敏電池中的應(yīng)用49-52
• 3.1.4 WP-0敏化劑小結(jié)52
• 3.2 卟啉敏化劑WP-1的性質(zhì)研究52-58
• 3.2.1 WP-1敏化劑光譜性質(zhì)研究52-53
• 3.2.2 WP-1敏化劑電化學(xué)性質(zhì)研究53-55
• 3.2.3 WP-1敏化劑在染敏電池中的應(yīng)用55-57
• 3.2.4 WP-1敏化劑小結(jié)57-58
• 3.3 卟啉敏化劑WP-2的性質(zhì)研究58-63
• 3.3.1 WP-2敏化劑光譜性質(zhì)研究58-59
• 3.3.2 WP-2敏化劑電化學(xué)性質(zhì)研究59-60
• 3.3.3 WP-2敏化劑在染敏電池中的應(yīng)用60-62
• 3.3.4 WP-2敏化劑小結(jié)62-63
• 4 結(jié)果與討論63-69
• 4.1 紫外-可見吸收光譜的比較63-64
• 4.2 應(yīng)用于DSC中光電性能的比較64-68
• 4.3 小結(jié)68-69
• 結(jié)論69-70
• 參考文獻70-76
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況76-77
• 致謝77-78

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