新型光敏劑的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(DSC)作為一種新型第三代太陽能電池,由于制備工藝簡單,制造成本低廉,受到研究者的廣泛關(guān)注。光敏染料作為染料敏化太陽能電池的關(guān)鍵組成部分,對光電轉(zhuǎn)換效率有著重要影響,因此開發(fā)新型光敏劑成為該領(lǐng)域的前沿課題。 為了開發(fā)新型、高效、高穩(wěn)定性的光敏染料,本論文以噻吩為起始原料,經(jīng)過溴化、硝化、還原、縮合合成了中間體G-0,之后再經(jīng)過高效的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)和溫和的水解反應(yīng)得到了一種新型雙通道染料G-1,利用1HNMR和MS對化合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。這是目前噻吩[3,4-b]吡嗪類結(jié)構(gòu)首次被設(shè)計、合成并作為染料敏化太陽能電池光敏劑。通過紫外-可見光譜、熒光發(fā)射光譜、電化學(xué)循環(huán)伏安法等測試手段對化合物的光物理、電化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究。紫外-可見光譜研究發(fā)現(xiàn),化合物G-1最大吸收波長隨著溶劑極性增大發(fā)生藍(lán)移。通過電化學(xué)循環(huán)伏安法并結(jié)合紫外-可見吸收光譜和熒光發(fā)射光譜,對化合物的HOMO、LUMO能級進(jìn)行了計算,結(jié)果表明：合成的染料具有合適的能級,可以應(yīng)用于DSC體系。 本文將合成的新型雙通道染料G-1應(yīng)用于DSC,研究了染料浸泡濃度和染料浸泡用溶劑對G-1敏化的太陽能電池性能的影響。不同染料浸泡濃度的研究結(jié)果表明,在濃度為0.2 mM時基于G-1的太陽能電池表現(xiàn)出最好的光電性能；不同染料浸泡用溶劑的研究結(jié)果顯示,在THF/乙腈的混合溶劑中表現(xiàn)出最好的光電性能。在最優(yōu)條件下,我們進(jìn)一步研究了共吸附劑CDCA的加入對電池性能的影響,結(jié)果表明,加入CDCA后對電池光電轉(zhuǎn)換效率影響不大。最終,在優(yōu)化條件下,G-1敏化的太陽能電池最高效率達(dá)到了4.66%,展示了此類染料應(yīng)用于DSC的巨大潛力。 為進(jìn)一步拓寬光敏染料的吸收光譜,本論文還合成了四種不同取代基的硫代雙烯鎳近紅外染料,通過HNMR、元素分析等對化合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了確認(rèn),并對其光物理、電化學(xué)及熱穩(wěn)定性等進(jìn)行了系統(tǒng)研究。紫外-可見-近紅外吸收光譜測試結(jié)果表明,合成的硫代雙烯鎳配合物在700 nm-1100 nm都具有較強的吸收。通過對化合物的取代基效應(yīng)及溶劑效應(yīng)研究發(fā)現(xiàn)：供電子基團導(dǎo)致λmax紅移,而吸電子基團則導(dǎo)致λmax藍(lán)移,且λmax隨著溶劑極性增加而增大。通過循環(huán)伏安法和差分脈沖伏安法測試對化合物的電化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究。此外,本文還通過密度泛函理論對化合物的HOMO和LUMO能級進(jìn)行了計算。熱失重測試研究表明,合成的化合物具有較好的熱穩(wěn)定性。最后,我們初步證實了硫代雙烯鎳近紅外染料應(yīng)用與DSC的可行性。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽能電池 近紅外染料 噻吩吡嗪 硫代雙烯 雙通道染料
【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】：2011
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 引言10-11
• 1 緒論11-16
• 1.1 前言11-12
• 1.2 可再生能源現(xiàn)狀12-13
• 1.3 太陽能資源利用13-14
• 1.3.1 太陽能13
• 1.3.2 太陽能資源利用13-14
• 1.4 太陽能電池14-16
• 2 染料敏化太陽能電池16-32
• 2.1 引言16
• 2.2 染料敏化太陽能電池結(jié)構(gòu)和工作原理16-18
• 2.3 染料敏化太陽能電池評價參數(shù)18-20
• 2.3.1 單色光光電轉(zhuǎn)換效率IPCE18-19
• 2.3.2 短路電流和短路電流密度J_(sc)19
• 2.3.3 開路電V_(oc)19
• 2.3.4 填充因子FF19
• 2.3.5 光電轉(zhuǎn)換效率η和J-V曲線19-20
• 2.4 光陽極納米晶半導(dǎo)體薄膜20-21
• 2.5 電解質(zhì)21
• 2.6 對電極21
• 2.7 敏化劑及其分類21-31
• 2.7.1 金屬配合物染料22-24
• 2.7.2 有機染料24-31
• 2.8 目前染料敏化太陽能電池存在的問題31
• 2.9 本論文的選題依據(jù)31-32
• 3 雙D雙π雙A染料的合成和表征32-39
• 3.1 引言32
• 3.2 化合物的合成和表征32-36
• 3.2.1 儀器與試劑32-33
• 3.2.2 重要中間體的合成33-35
• 3.2.3 G-0和G-1的合成35-36
• 3.3 化合物G-0的單晶解析36-38
• 3.4 小結(jié)38-39
• 4 雙D雙π雙A染料的性質(zhì)研究39-44
• 4.1 引言39
• 4.2 光物理、電化學(xué)性質(zhì)測試方法39-40
• 4.2.1 紫外-可見光譜測試和熒光發(fā)射光譜測試39
• 4.2.2 電化學(xué)測試39-40
• 4.3 紫外可見光譜測試與熒光光譜測試40-41
• 4.4 電化學(xué)測試41-43
• 4.5 小節(jié)43-44
• 5 雙通道染料敏化太陽能電池的光伏性能測試44-54
• 5.1 引言44
• 5.2 電池的組裝方法44-45
• 5.2.1 試劑、材料和儀器44
• 5.2.2 DSC的組裝44-45
• 5.3 染料敏化太陽能電池的光伏性能測試方法45-47
• 5.3.1 染料敏化太陽能電池的伏安曲線測試方法45-46
• 5.3.2 染料敏化太陽能電池光電流工作譜測試方法46-47
• 5.4 染料敏化太陽能電池光伏性能測試47-53
• 5.4.1 不同染料濃度對電池性能的影響47-49
• 5.4.2 染浴對電池性能的影響49-51
• 5.4.3 優(yōu)化條件下CDCA對電池性能的影響51-53
• 5.5 小結(jié)53-54
• 6 硫代雙烯鎳近紅外染料的合成和性能研究54-64
• 6.1 引言54
• 6.2 化合物的合成和表征54-58
• 6.2.1 儀器與試劑54-55
• 6.2.2 重要中間體的合成55-56
• 6.2.3 硫代雙烯鎳近紅外染料的合成56-58
• 6.3 結(jié)果與討論58-63
• 6.3.1 合成部分58
• 6.3.2 熱失重分析58-59
• 6.3.3 紅外譜圖解析59
• 6.3.4 Uv-vis-NIR吸收光譜59-61
• 6.3.5 電化學(xué)性質(zhì)61
• 6.3.6 密度泛函原理計算61-62
• 6.3.7 硫代雙烯鎳配合物在DSC中的應(yīng)用62-63
• 6.4 小結(jié)63-64
• 結(jié)論64-65
• 參考文獻(xiàn)65-71
• 附錄A 重要化合物的MS譜圖71-73
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況73-74
• 致謝74-75

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