中位供電基團對卟啉類染料敏化劑光伏性能影響的研究

【摘要】：本論文主要研究不同供電基團對染料光電性能的影響，設(shè)計了基于咔唑基團氮原子上引入不同正丁基、正己基和正癸基的CZ系列染料和基于不同剛性二芳胺基團的卟啉染料，并應(yīng)用到染料敏化太陽能電池中，測試其光伏性能。 以咔唑為原料，將咔唑氮原子分別連結(jié)不同正構(gòu)烷烴，再通過Vilsmeier試劑將咔唑的一個苯環(huán)對位進行甲?；玫?H-咔唑-3-甲醛。通過MacDonald [2+2]法合成卟啉自由堿、再經(jīng)灌金屬反應(yīng)、水解反應(yīng)，得到三個CZ卟啉染料。目標產(chǎn)物和中間產(chǎn)物均經(jīng)過質(zhì)譜、1H-NMR表征，并對目標染料分子的光學(xué)性能、電化學(xué)性能以及光電轉(zhuǎn)換性能進行了研究測試。由于三個CZ染料分子結(jié)構(gòu)非常類似，僅取代烷基鏈長度有所差別，其紫外-可見吸收光譜和穩(wěn)態(tài)熒光光譜也比較相似。CZ-10由于其烷基鏈最長，能夠有效抑制電子向電解質(zhì)回傳，降低電子復(fù)合速率，防止暗電流產(chǎn)生，其電子壽命最長且開路電壓VOC最大。但由于其空間位阻過大導(dǎo)致染料吸附量太低，染料捕獲的光能量最少，產(chǎn)生的光生電子最少，其短路電流JSC最低。實驗結(jié)果表明用于防聚集的正己基鏈由于長度合適，比正丁基能更好地防止電子回傳，比空間位阻更大的正癸基在TiO2表面的染料吸附量大，因此CZ-6染料的光電轉(zhuǎn)換效率最高（2.13%）。 以苯基二吡咯烷、原甲酸三甲酯和對氰基苯甲醛為原料，通過MacDonald[2+2]法合成卟啉自由堿，再經(jīng)NBS溴化和灌金屬反應(yīng)、Buchwald-Hartwig碳氮偶聯(lián)反應(yīng)、還原反應(yīng)以及Knoevenagel縮合反應(yīng)，得到三個卟啉染料。目標產(chǎn)物和中間產(chǎn)物均經(jīng)過質(zhì)譜、1H-NMR表征，并對目標染料分子的光學(xué)性能、電化學(xué)性能以及光電轉(zhuǎn)換性能進行了研究測試。DPA-CN-COOH、IDB-CN-COOH和ISB-CN-COOH紫外-可見吸收峰形類似。通過DFT計算，三個染料上氮原子的福井函數(shù)分別為0.8267，0.8955和-0.6684，染料ISB-CN-COOH的福井函數(shù)值與其他染料相反，說明其供電基團上的氮原子沒有表現(xiàn)出親核性，光電轉(zhuǎn)換效率最差（2.62%）。由于福井函數(shù)值最大，染料IDB-CN-COOH親核性和供電子能力最強，從而有利于電子傳輸進程和電荷分離態(tài)的穩(wěn)定性。染料IDB-CN-COOH的光電轉(zhuǎn)換效率達到了N719染料光電轉(zhuǎn)換效率(η=6.02%)的87%，表明IDB-CN-COOH作為染料敏化劑具有很好的應(yīng)用前景。 【關(guān)鍵詞】：卟啉 中位取代基 烷基鏈 福井函數(shù) 染料敏化太陽能電池
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 第一章 文獻綜述8-24
• 引言8
• 1.1 染料敏化太陽能電池簡介8-11
• 1.1.1 染料敏化太陽能電池基本結(jié)構(gòu)及原理8-9
• 1.1.2 染料敏化劑簡介9-11
• 1.2 卟啉及其衍生物在 DSSCs 中的應(yīng)用11-21
• 1.2.1 卟啉簡介11
• 1.2.2 卟啉及其衍生物作為染料敏化劑的優(yōu)點11-12
• 1.2.3 卟啉染料應(yīng)用到 DSSCs 的研究進展12-18
• 1.2.4 中位供電基團對卟啉染料光伏性能影響的研究進展18-21
• 1.3 課題來源及意義21-22
• 1.4 研究思路及研究內(nèi)容22
• 1.5 論文創(chuàng)新點22-24
• 第二章 不同烷基鏈咔唑作為供電基團的卟啉類染料的合成及光電性能研究24-46
• 引言24-25
• 2.1 實驗部分25-32
• 2.1.1 主要原料、試劑及實驗儀器25-26
• 2.1.2 不同烷基鏈咔唑作為供電基團的卟啉類染料的合成26-30
• 2.1.3 表征及測試方法30-32
• 2.2 結(jié)果與討論32-45
• 2.2.1 化合物 2 的結(jié)構(gòu)表征32-33
• 2.2.2 化合物 3 的結(jié)構(gòu)表征33-34
• 2.2.3 化合物 4 的結(jié)構(gòu)表征34-35
• 2.2.4 化合物 CZ-4 的結(jié)構(gòu)表征35-36
• 2.2.5 三個 CZ 染料的光學(xué)性能研究36-39
• 2.2.6 三個 CZ 染料的循環(huán)伏安性能分析39-42
• 2.2.7 三個 CZ 染料光電轉(zhuǎn)換性能的研究42-44
• 2.2.8 三個 CZ 染料交流阻抗性能的研究44-45
• 2.3 本章小結(jié)45-46
• 第三章 不同二芳胺作為供電基團的卟啉類染料的合成及光電性能研究46-71
• 引言46-47
• 3.1 實驗部分47-54
• 3.1.1 主要原料、試劑及實驗儀器47-48
• 3.1.2 不同二芳胺做為供電基團的卟啉染料的合成48-52
• 3.1.3 表征及測試方法52-54
• 3.2 結(jié)果與討論54-69
• 3.2.1 5,15-二苯基-10-對氰基苯基卟啉鋅（1）結(jié)構(gòu)表征54-55
• 3.2.2 5,15-二苯基-10-溴-20-對氰基苯基卟啉鋅（2）結(jié)構(gòu)表征55-56
• 3.2.3 5,15-二苯基-10-溴-20-對氰基苯基卟啉鋅（3）結(jié)構(gòu)表征56-57
• 3.2.4 5,15-二苯基-10-二芳胺基-20-對氰基苯基卟啉鋅（4）合成研究和結(jié)構(gòu)表征57-59
• 3.2.5 5,15-二苯基-10-二芳胺基-20-對醛基苯基卟啉鋅（5）結(jié)構(gòu)表征59-61
• 3.2.6 染料分子結(jié)構(gòu)表征61-62
• 3.2.7 二芳胺-卟啉型染料光學(xué)性能研究62-64
• 3.2.8 二芳胺-卟啉型染料循環(huán)伏安性能分析64-65
• 3.2.9 二芳胺-卟啉型染料光電轉(zhuǎn)換性能的研究65-67
• 3.2.10 暗態(tài)交流阻抗性能的研究67-68
• 3.2.11 DFT 計算和理論解釋68-69
• 3.3 本章小結(jié)69-71
• 第四章 結(jié)論71-72
• 參考文獻72-81
• 發(fā)表論文和參加科研項目說明81-82
• 附錄82-88
• 致謝88

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