含苯并噻二唑、噻吩和卟啉的窄帶隙聚合物及卟啉類有機染料的合成及光伏性能研究

【摘要】：太陽能是可循環(huán)利用的能源之一,它清潔無污染,沒有區(qū)域限制。在眾多的光電轉換器件中,聚合物太陽能電池和染料敏化太陽能電池以其低成本和易制造等優(yōu)點而被廣泛關注。卟啉是一種葉綠素衍生物,其在420nm左右有一個強的吸收帶,在600 nm左右有弱的Q-吸收帶,因此而成為光伏領域研究的熱點。為了得到更好的與太陽光譜匹配的材料,對卟啉的研究主要是為了拓寬其窄的S-吸收帶,加強其弱的Q-帶,以及改善S-和Q-吸收帶之間的吸收。在本論文中,我們設計并合成了苯并噻二唑和噻吩衍生物修飾的卟啉聚合物和卟啉有機染料,并應用于聚合物和染料敏化太陽能電池。我們利用核磁共振譜、元素分析、紅外光譜及飛行時問質(zhì)譜等表征方法對合成的中間產(chǎn)物及目標化合物進行了結構表征；并且利用紫外-可見光譜、熒光-發(fā)射光譜和循環(huán)伏安等方法研究了所合成聚合物及有機染料的光物理性能和電化學特征。最后,我們將所合成的聚合物及有機染料制備成相應的太陽能電池并測試了它們的光伏性能,結果如下： 1.合成了兩種新型的主鏈由卟啉、苯并噻二唑和噻吩衍生物構成的聚合物并應用于本體異質(zhì)結太陽能電池。我們測試了聚合物的熱學、光學、電化學及光電等方面的性能。結果表明,苯并噻二唑在主鏈上的引入可以同時拓寬卟啉的S-帶和Q-帶,而且還可以降低能隙。我們采用聚合物/PC61BM為1：2的比例在AM 1.5,100 mW·cm-2模擬太陽光下測試了聚合物的光電轉換效率,其中基于P2/PC61BM的器件最高效率為0.91%,這在卟啉聚合物的應用中是最高的。 2.設計并合成了兩種由苯并噻二唑和噻吩修飾的新型卟啉染料PMBTZ和PHBTZ。通過紫外-可見光譜、熒光發(fā)射光譜以及循環(huán)伏安法對其光物理和電化學性質(zhì)進行了測試。結果表明,低能隙發(fā)色團的引入可以使卟啉聚合物的吸收光譜紅移和拓寬,可以使卟啉的第一氧化電勢更負。在模擬太陽光照射下,基于PMBTZ的染料敏化太陽能電池效率最高：短路電流14.11 mA-cm-2,開路電壓0.59V,填充因子0.66,光電轉換效率5.46%。 3.設計并合成了四個以多烷基噻吩取代中位的卟啉為電子給體,氰基乙酸為受體,不同橋鏈的有機染料Z1、Z2、Z3和Z4。對四種染料的光物理、光電及光伏性能都進行了系統(tǒng)的測試。所有合成的染料其光譜都比參比染料PZn卟啉染料紅移,而且其激發(fā)態(tài)氧化電勢都比參比染料正移,降低了HOMO-LUMO能隙。最后在模擬太陽光照射下,基于染料Z2的電池效率最高,為5.71%。 【關鍵詞】：聚合物太陽能電池 染料敏化太陽能電池 卟啉 噻吩 苯并噻二唑
【學位授予單位】：湘潭大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2011
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 有機太陽能電池研究背景9-24
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 聚合物太陽能電池的研究進展10-18
• 1.2.1 聚合物太陽能電池工作原理10-11
• 1.2.2 聚合物太陽能電池的器件結構11-12
• 1.2.3 太陽能電池器件的表征12-14
• 1.2.4 聚合物太陽能電池材料14-18
• 1.3 染料敏化太陽能電池(DSSCs)的研究發(fā)展18-23
• 1.3.1 光陽極19-20
• 1.3.2 電解液20
• 1.3.3 對電極20
• 1.3.4 敏化劑20-23
• 1.4 論文的設計思想與研究內(nèi)容23-24
• 第2章 苯并噻二唑修飾的卟啉窄帶隙聚合物的合成及其光伏性能研究24-38
• 2.1 前言24
• 2.2 實驗部分24-27
• 2.2.1 儀器和試劑24-25
• 2.2.2 單體和聚合物的合成25-27
• 2.3 結果與討論27-37
• 2.3.1 實驗過程中反應條件研究27-31
• 2.3.2 聚合物的分子量和熱性能31-32
• 2.3.3 聚合物的紫外-可見吸收和熒光性能32-34
• 2.3.4 聚合物的電化學性能34-35
• 2.3.5 聚合物的光伏性能35-37
• 2.4 本章小結37-38
• 第3章 以苯并噻二唑窄帶隙單元及噻吩單元為橋鏈的卟啉染料的合成及其光電性能的研究38-55
• 3.1 引言38-39
• 3.2 實驗部分39-43
• 3.2.1 儀器和試劑39
• 3.2.2 染料的合成39-43
• 3.3 結果與討論43-54
• 3.3.1 實驗路線的設計及反應條件的研究43
• 3.3.2 合成化合物的表征43-47
• 3.3.3 染料的光物理性質(zhì)47-50
• 3.3.4 染料的電化學性質(zhì)50-51
• 3.3.5 染料分子結構的計算分析51-52
• 3.3.6 染料的光伏性能52-54
• 3.4 本章小結54-55
• 第4章 5-烷基噻吩基修飾的卟啉染料的合成及其光伏性能的研究55-75
• 4.1 引言55-56
• 4.2 實驗部分56-62
• 4.2.1 儀器和試劑56
• 4.2.2 染料的合成56-62
• 4.3 結果與討論62-74
• 4.3.1 實驗路線的設計及反應條件的研究62
• 4.3.2 合成化合物的表征62-69
• 4.3.3 染料的光物理性質(zhì)69-71
• 4.3.4 染料的電化學性質(zhì)71-72
• 4.3.5 染料的光伏性能72-74
• 4.4 本章小結74-75
• 總結與展望75-76
• 參考文獻76-83
• 附錄A 試劑、藥品及其純化方法83-84
• 續(xù)表A84-86
• 附錄B 儀器及測試條件和方法86-88
• 致謝88-89
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表論文情況89

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