吲哚類光敏染料的合成及其光伏性能研究

【摘要】：太陽能是一種綠色無污染可再生能源，它工藝簡單、生產(chǎn)成本低、并且不受地域的限制。瑞典的MichaelGrtzel教授在1991年首次報(bào)道的染料敏化太陽能電池，拉開了研究該種電池的序幕，與其它太陽能電池相比因其所具有的優(yōu)越性近些年來受到世人的關(guān)注而得到迅速發(fā)展。而染料敏化劑是組成染料敏化太陽能電池的核心部分，是否能夠設(shè)計(jì)和合成性能優(yōu)良的敏化劑直接影響著電池光電轉(zhuǎn)化效率的高低。本文設(shè)計(jì)合成了四種含有吲哚結(jié)構(gòu)的光敏染料，將其制備成染料敏化太陽能電池（DSSCs）后研究了光化學(xué)性質(zhì)和電化學(xué)性質(zhì)。主要包括以下幾個(gè)方面內(nèi)容。 1.設(shè)計(jì)合成四種染料（XS41-44）分別以二丙基芴、對(duì)己氧基、對(duì)三叔丁基和三聚茚為供電基團(tuán)，以丙烷基融噻吩作為共軛橋，氰基乙酸為電子受體，形成D-π-A結(jié)構(gòu)的有機(jī)敏化染料。以易得化合物為原料，經(jīng)過NBS或Br2溴化，Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)，Stille偶聯(lián)反應(yīng)，Vilsmeier-Haack反應(yīng)以及Knoevenagel縮合反應(yīng)等得到目標(biāo)化合物。并通過一些化學(xué)手段如紅外、碳譜、氫譜、質(zhì)譜等對(duì)相關(guān)化合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。對(duì)四種染料XS41-44的光學(xué)性質(zhì)和電化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究。符合作為敏化劑所必要的條件。 2.對(duì)四種染料XS41-44所制備的DSSCs進(jìn)行光伏性能測試。開路電壓（VOC）的順序：XS42（621mV）XS43（633mV）XS41（670mV）XS44（725mV）,測試結(jié)果表明在分子結(jié)構(gòu)中引入剛性結(jié)構(gòu)可有效抑制二氧化鈦表面所吸附染料間的電子復(fù)合。合成了兩種新型小分子有機(jī)物TC1和TC2作為共吸附，并與CDCA做了比較，發(fā)現(xiàn)TC1和TC2在抑制電子復(fù)合方面優(yōu)越于CDCA，還考察了三者的空間結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明TC2分子長度與四種染料分子長度能夠更好的匹配，明顯提到了VOC和短路電流密度JSC。 3.為了說明TC2共吸附劑在不減少短路電流密度（JSC）的情況下較大幅度提高了VOC的原因，本論文對(duì)電池的電化學(xué)阻抗、電子壽命、分子空間結(jié)構(gòu)、TC1和TC2敏化染料在表面吸附情況進(jìn)行了深入的研究，結(jié)果表明染料在二氧化鈦的表面blocking效應(yīng)取決于染料與共吸附劑的分子匹配程度，因此我們提出了對(duì)共吸附劑的分子設(shè)計(jì)不僅關(guān)注水平方向而且不能忽視縱向的顯著影響。XS41和TC2共吸附后電池的JSC=16.1mAcm–2，VOC=770mV，填充因子（ff）為0.66，光電轉(zhuǎn)化效率8.18％,這為今后設(shè)計(jì)出更高效吲哚類敏化染料奠定了基礎(chǔ)。 【關(guān)鍵詞】：吲哚類染料 共吸附劑 開路電壓 電子復(fù)合 光電性質(zhì)
【學(xué)位授予單位】：天津理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：TQ613.9;TM914.4
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 文獻(xiàn)綜述9-23
• 1.1 太陽能電池的研究現(xiàn)狀9-10
• 1.2 染料敏化太陽能電池（ DSSC ）概述10-12
• 1.2.1 染料敏化太陽電池 DSSC 的器件結(jié)構(gòu)10
• 1.2.2 染料敏化太陽能電池的工作原理10-12
• 1.3 DSSC 的影響參數(shù)12-13
• 1.3.1 光電轉(zhuǎn)換效率（ IPCE ）12
• 1.3.2 開路電壓（ VOC ）12
• 1.3.3 短路光電流密度（JSC ）12
• 1.3.4 填充因子（ FF ）12
• 1.3.5 光電轉(zhuǎn)換效率（Η）12
• 1.3.6 DSSC 的光電流密度 -電壓曲線（I - V 曲線）12-13
• 1.4 染料敏化太陽能電池電極13-14
• 1.4.1 光陽極（工作電極）13-14
• 1.4.2 光陰極14
• 1.5 電解質(zhì)14-15
• 1.6 染料敏化分子的研究15-20
• 1.6.1 染料敏化分子的種類15-20
• 1.6.2 光敏染料與 TIO2 的結(jié)合方式20
• 1.7 選題的依據(jù)及研究內(nèi)容20-23
• 第二章 實(shí)驗(yàn)部分23-35
• 2.1 原料試劑與儀器23-25
• 2.2 試劑提純方法25
• 2.3 合成路線25-35
• 2.3.1 目標(biāo)產(chǎn)物 XS41 - XS44 的合成路線25-26
• 2.3.2 幾種重要中間體的合成26-27
• 2.3.3 光敏染料 XS41 -XS44 的合成及表征27-35
• 第三章 DSSC 制備、電池性能測試以及結(jié)果討論35-49
• 3.1 DSSC 制備及性能測試35-37
• 3.1.1 制備 DSSC35-36
• 3.1.2 DSSC 的測試36-37
• 3.2 染料的光學(xué)性能測試37
• 3.3 染料的電化學(xué)性能測試37-38
• 3.4 測試結(jié)果與討論38-49
• 3.4.1 染料 XS41 - 44 的光譜特性38-40
• 3.4.2 染料 XS41 - 44 的電化學(xué)性能40-42
• 3.4.3 太陽能電池的光伏性能42-49
• 第四章 結(jié)論49-50
• 參考文獻(xiàn)50-53
• 發(fā)表論文和科研情況說明53-54
• 致謝54-55

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