含側(cè)鏈吸附基團(tuán)的光敏染料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(DSC)作為一種太陽能的有效利用方式引起了全世界廣泛的關(guān)注。在染料敏化太陽能電池中,光敏染料起到吸收太陽光并將電子注入到二氧化鈦(Ti02)導(dǎo)帶的作用,是DSC最重要的組成部分,對(duì)DSC的光電轉(zhuǎn)換效率具有決定性的作用。純有機(jī)光敏染料具有結(jié)構(gòu)簡單、易于合成與優(yōu)化、成本低、效率高等諸多優(yōu)點(diǎn),近幾年來得到了很快的發(fā)展。 本論文設(shè)計(jì)合成了兩個(gè)新型的純有機(jī)光敏染料用于DSC中。兩個(gè)染料以長碳鏈苯胺為電子給體、間硝基苯甲腈為電子受體、以苯胺上的丙酸基側(cè)鏈為嵌入基團(tuán),并通過不同的π-橋基相連。與傳統(tǒng)的D-π-A(電子給體-π橋基-電子受體)型純有機(jī)光敏染料(用氰丙烯基酸同時(shí)作為電子接受體和嵌入基團(tuán))相比,這些染料的嵌入基團(tuán)與電子受體相分離,這樣更易于通過調(diào)整分子結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)光敏染料的軌道能級(jí)和吸收光譜。利用高分辨質(zhì)譜(HRMS)、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和電化學(xué)性質(zhì),并將其應(yīng)用于DSC中。 研究發(fā)現(xiàn),用光敏染料進(jìn)行Ti02膜的敏化時(shí)所用的溶劑的不同,光敏染料在Ti02上的吸收光譜不同,對(duì)電池性能也會(huì)產(chǎn)生較大的影響。本論文最終采用乙腈作為染浴溶劑。 在測試初期,由于電子不能由光敏染料注入Ti02導(dǎo)帶或注入很少,導(dǎo)致電池幾乎沒有效率。經(jīng)過一段時(shí)間的電流-電壓(J-V)測試后,膜上的染料顏色由紅色變?yōu)闇\黃色,但是電池效率提高。由光敏染料的紅外光譜和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象推測,在電解質(zhì)的作用下,染料的-NO2基團(tuán)可能與Ti02發(fā)生了鍵合,使電子能夠順利注入Ti02導(dǎo)帶,從而電池效率大大提高。最終橋基為噻吩基團(tuán)的光敏染料制作的太陽能電池獲得了最好的電池性能,在模擬太陽光(AM 1.5,100mW/cm2)下,總的光電轉(zhuǎn)換效率為0.93%,短路電流密度為1.92 mA/cm2,開路電壓為0.62 V,填充因子0.78。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽能電池 有機(jī)光敏染料 側(cè)鏈嵌入基團(tuán)
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 引言8-10
• 1 文獻(xiàn)綜述10-31
• 1.1 能源及太陽能電池10-13
• 1.1.1 能源10-12
• 1.1.2 太陽能電池12-13
• 1.2 染料敏化太陽能電池13-18
• 1.2.1 電池的結(jié)構(gòu)和工作原理13-16
• 1.2.2 描述DSC電池性能的主要參數(shù)及J-V曲線16-18
• 1.3 光敏染料18-30
• 1.3.1 光敏染料的特點(diǎn)18-20
• 1.3.2 光敏染料與納米TiO_2表面的相互作用20
• 1.3.3 光敏染料的研究現(xiàn)狀20-30
• 1.4 選題背景和依據(jù)30-31
• 2 染料的設(shè)計(jì)、合成與表征31-41
• 2.1 儀器與試劑31-33
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)藥品31-32
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器32-33
• 2.2 試劑的處理33
• 2.2.1 分子篩的活化33
• 2.2.2 N,N-二甲基甲酰胺(DMF)的純化33
• 2.2.3 四氫呋喃(THF)的純化33
• 2.3 目標(biāo)化合物的設(shè)計(jì)、合成與表征33-41
• 2.3.1 分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)34
• 2.3.2 光敏染料合成路線34-36
• 2.3.3 光敏染料的合成與表征36-41
• 3 光敏染料的性能測試與電池的組裝、測試41-46
• 3.1 光敏染料的光物理、電化學(xué)性能測試41-42
• 3.1.1 紫外-可見吸收光譜測試41-42
• 3.1.2 電化學(xué)性能測試42
• 3.1.3 紅外光譜測試42
• 3.2 太陽能電池的組裝42-44
• 3.2.1 材料與儀器42-43
• 3.2.2 TiCl_4水溶液的制備43
• 3.2.3 導(dǎo)電玻璃的預(yù)處理43
• 3.2.4 納米多孔TiO_2薄膜的制備43-44
• 3.2.5 納米多孔TiO_2薄膜的敏化44
• 3.2.6 對(duì)電極的制備44
• 3.2.7 電池的最后組裝44
• 3.3 太陽能電池的測試44-46
• 3.3.1 電池的光電轉(zhuǎn)換性能測試44-45
• 3.3.2 電池光電流工作譜的測定45-46
• 4 結(jié)果與討論46-58
• 4.1 光敏染料的合成46
• 4.2 紫外-可見吸收光譜46-50
• 4.3 電化學(xué)性質(zhì)50-52
• 4.4 密度泛函理論計(jì)算52-53
• 4.5 傅立葉紅外光譜53-54
• 4.6 電池的光電轉(zhuǎn)換性能54-56
• 4.7 電池的單色光電轉(zhuǎn)換效率56-58
• 結(jié)論58-59
• 參考文獻(xiàn)59-65
• 附錄1 質(zhì)譜譜圖65-68
• 附錄2 核磁譜圖68-72
• 附錄3 符號(hào)及試劑縮寫72-74
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況74-75
• 致謝75-76

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