雙D-π-A型光敏染料的合成及其在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用

【摘要】：光敏染料在染料敏化太陽(yáng)能電池中扮演著至關(guān)重要的角色,設(shè)計(jì)合成優(yōu)良的染料將會(huì)有利于電池性能的提高。為了降低染料敏化太陽(yáng)能電池的成本,提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率,解決染料吸附量和染料聚集之間的矛盾,在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上,我們探索了采用具有雙D-π-A新型光敏染料作為敏化劑在染料敏化太陽(yáng)能電池的應(yīng)用。 本論文共設(shè)計(jì)合成了8個(gè)具有雙D-π-A新型純有機(jī)光敏染料,其中包括1個(gè)咔唑基雙D-π-A型光敏染料、4個(gè)不對(duì)稱雙D-π-A型光敏染料和3個(gè)吩噻嗪基雙D-π-A型光敏染料。同時(shí),利用質(zhì)譜、核磁共振氫譜和碳譜對(duì)這些化合物進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征。并且研究了它們的光物理性質(zhì),最后將其應(yīng)用于染料敏化太陽(yáng)能電池,系統(tǒng)地考察了光敏染料結(jié)構(gòu)與電池性能之間的關(guān)系。 研究發(fā)現(xiàn),基于咔唑基雙D-π-A型光敏染料的電池性能與相應(yīng)的單D-π-A結(jié)構(gòu)的染料的性能相比較,實(shí)現(xiàn)了效率的顯著提高(提高約2.4倍),預(yù)示著雙D-π-A型構(gòu)想的合理性和巨大的研究前景。 對(duì)于咔唑基不對(duì)稱雙D-π-A型染料,我們實(shí)現(xiàn)了通過(guò)基團(tuán)互補(bǔ)達(dá)到擴(kuò)大染料的吸光范圍,進(jìn)而提高電池效率的目的。結(jié)果表明,這種不對(duì)稱結(jié)構(gòu)染料相對(duì)于單D-π-A結(jié)構(gòu)染料來(lái)說(shuō),性能仍然提高了。而且,在光譜吸收方面,吩噻嗪的引入拓寬了染料在可見(jiàn)光的吸收。此外,還發(fā)現(xiàn)富電子的芳胺基團(tuán):咔唑、吲哚及吩噻嗪,它們的供電子能力的強(qiáng)弱順序如下:吩噻嗪咔唑吲哚。 基于吩噻嗪為電子給體的具有雙D-π-A結(jié)構(gòu)的光敏染料中,DBD-Hex的性能最好,電池最高效率達(dá)4.22%,同時(shí)基于單D-π-A型染料及N719的電池效率為2.91%和5.75%。相對(duì)于單D-π-A結(jié)構(gòu)染料提高約40%,達(dá)到N719的70%的水平。此外,通過(guò)染料吸附量的測(cè)試,不同溶劑染浴以及加入阻聚劑(CDCA)對(duì)電池性能的影響,分析了吩噻嗪基雙D-π-A型染料相對(duì)于單D-π-A型染料性能提高的可能原因:(1)前者的吸附能力強(qiáng)于后者,有更多的光捕獲單元;(2)連接雙D-π-A單元的烷基鏈起到了阻止I3-接近TiO2表面與電子復(fù)合,抑制暗電流的作用;(3)前者相對(duì)于后者不易聚集,從而提高了電流密度。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽(yáng)能電池 純有機(jī)光敏染料 雙D-π-A型光敏染料 咔唑 吩噻嗪
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(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5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 文獻(xiàn)綜述11-34
• 1.1 前言11-12
• 1.2 染料敏化太陽(yáng)能電池簡(jiǎn)介12-20
• 1.2.1 染料敏化太陽(yáng)能電池（DSCs）的構(gòu)造及其工作原理12-14
• 1.2.2 評(píng)價(jià)染料敏化太陽(yáng)能電池性能的指標(biāo)14-16
• 1.2.3 染料敏化太陽(yáng)能電池的發(fā)展現(xiàn)狀16-20
• 1.3 不含金屬有機(jī)光敏染料的研究進(jìn)展20-31
• 1.3.1 基于N-烷基的D-π-A 光敏染料21
• 1.3.2 基于香豆素的D-π-A 光敏染料21-27
• 1.3.3 基于三苯胺的D-π-A 光敏染料27-28
• 1.3.4 基于吲哚啉的D-π-A 光敏染料28
• 1.3.5 包含芴三芳胺結(jié)構(gòu)的D-π-A 光敏染料28-29
• 1.3.6 基于咔唑的D-π-A 光敏染料29
• 1.3.7 基于吩噻嗪的D-π-A 光敏染料29-30
• 1.3.8 包含新型π-橋的D-π-A 光敏染料30-31
• 1.4 本課題的研究意義、內(nèi)容及創(chuàng)新之處31-34
• 1.4.1 本課題的研究意義31-32
• 1.4.2 本課題的研究?jī)?nèi)容32-33
• 1.4.3 本課題的創(chuàng)新之處33-34
• 第二章 雙D-π-A 型光敏染料的設(shè)計(jì)、合成與表征34-47
• 2.1 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑34
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)所用儀器及規(guī)格34
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)主要試劑34
• 2.2 雙D-π-A 型光敏染料的設(shè)計(jì)、合成與表征34-46
• 2.2.1 咔唑基雙D-π-A 型染料的設(shè)計(jì)與合成35-37
• 2.2.2 不對(duì)稱雙D-π-A 型染料的設(shè)計(jì)與合成37-43
• 2.2.3 吩噻嗪基雙D-π-A 型染料的設(shè)計(jì)與合成43-46
• 2.3 本章小結(jié)46-47
• 第三章 電池的組裝、測(cè)試與化合物性質(zhì)的測(cè)試方法47-51
• 3.1 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑47-48
• 3.1.1 實(shí)驗(yàn)所用主要儀器及規(guī)格47
• 3.1.2 實(shí)驗(yàn)主要試劑47-48
• 3.2 光陽(yáng)極膜的制備48
• 3.2.1 導(dǎo)電玻璃(FTO)的預(yù)處理48
• 3.2.2 Ti0_2 漿料的制備48
• 3.2.3 染料溶液的配制48
• 3.2.4 Ti02 光陽(yáng)極膜的制備48
• 3.3 對(duì)電極的制備48
• 3.4 電解質(zhì)溶液的配制48-49
• 3.5 DSCs 的組裝49
• 3.6 DSCs 的光伏性能測(cè)試49
• 3.7 紫外可見(jiàn)吸收光譜和熒光發(fā)射光譜測(cè)試49
• 3.8 染料吸附量的測(cè)試49-50
• 3.9 本章小結(jié)50-51
• 第四章 雙D-π-A 型光敏染料的光物理性質(zhì)及光伏性能51-65
• 4.1 咔唑基雙D-π-A 型染料51-53
• 4.1.1 紫外可見(jiàn)吸收光譜51
• 4.1.2 咔唑基雙D-π-A 型染料的光伏性能51-53
• 4.2 不對(duì)稱雙D-π-A 型染料53-56
• 4.2.1 紫外可見(jiàn)吸收光譜53-54
• 4.2.2 不對(duì)稱雙D-π-A 型染料的光伏性能54-56
• 4.3 吩噻嗪基雙D-π-A 型染料56-63
• 4.3.1 紫外可見(jiàn)吸收光譜56-57
• 4.3.2 吩噻嗪基雙D-π-A 型染料的光伏性能57-60
• 4.3.3 基于DBD-Hex 染料的DSCs 性能優(yōu)化60-63
• 4.4 本章小結(jié)63-65
• 結(jié)論與展望65-67
• 一、結(jié)論65-66
• 二、展望66-67
• 參考文獻(xiàn)67-74
• 附錄74-95
• 攻讀碩士學(xué)位期間取得的研究成果95-96
• 致謝96-97
• 答辯委員會(huì)對(duì)論文的評(píng)定意見(jiàn)97

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