融噻吩橋聯(lián)敏化染料的合成及其光伏性能研究

【摘要】：能源危機(jī)已成為當(dāng)今社會(huì)面臨的一個(gè)重大問題，近三百年來，工業(yè)革命導(dǎo)致的機(jī)械化大生產(chǎn)使得我們對(duì)能源的需求與日俱增，于是不可再生的化石燃料就扮演了重要的角色，在20世紀(jì)70年代石油危機(jī)爆發(fā)之后，能源需求量也就越來越大。太陽能是一種可再生能源，有著其它能源所不可比擬的優(yōu)點(diǎn)：1）與化石燃料相比，太陽能是人類取之不盡，用之不竭的可再生能源；2）相比核能，太陽能能源安全，無污染；3）相比水能，風(fēng)能，太陽能容易利用，沒有的地理?xiàng)l件限制，成本。在1954年實(shí)用化的硅太陽能電池問世，但是這類電池的制作成本高昂，制備工藝復(fù)雜，直到1991年，瑞士科學(xué)家Gr tzel研究組開發(fā)出光電轉(zhuǎn)換效率為7%染料敏化太陽能電池(Dye-Sensitized NanocrystallinePhotovoltaic Solar Cells，DSSC)，其制作工藝簡(jiǎn)單，成本比較低廉，使用壽命較長(zhǎng)。此類電池的核心部分是光敏染料，它的性能直接決定著染料敏化太陽能電池的使用壽命和光電轉(zhuǎn)化效率。 本文設(shè)計(jì)合成了六種新型有機(jī)敏化染料，前五種都是以單的己氧基三苯胺為供電基團(tuán)，第六種以雙己氧基三苯胺為供電基團(tuán)，以三種不同的融噻吩與環(huán)氧噻吩連接作為共軛橋，氰基乙酸為電子受體，形成D-π-π-A型的有機(jī)敏化染料。以對(duì)碘苯酚、噻吩、n-C_6H_12Br、3-溴噻吩和n-C_3H_7Br等為起始原料，經(jīng)過NBS或Br_2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)等最后得到目標(biāo)化合物，并對(duì)合成過程中的未見報(bào)道的29種中間體和最終的目標(biāo)產(chǎn)物進(jìn)行了紅外、熔點(diǎn)、碳譜、氫譜、質(zhì)譜等結(jié)構(gòu)表征。然后我們對(duì)這些染料進(jìn)行了光電性質(zhì)，分子理論計(jì)算和制備成敏化太陽能電池的光伏性能的研究，總結(jié)出了這些染料的結(jié)構(gòu)和電池光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系，為今后設(shè)計(jì)出高效有機(jī)敏化染料奠定了基礎(chǔ)。 其中染料XS35~38是以四種推拉電子融噻吩和環(huán)氧噻吩聯(lián)接來作為共軛橋，四種染料在500 nm處都有一個(gè)強(qiáng)烈的可見光吸收帶，最大吸收峰的波長(zhǎng)λmax分別位于514，497，492和494 nm，這四種染料的HOMO和LUMO能級(jí)與二氧化鈦和電解液能級(jí)相匹配，符合作為敏化劑所必要的條件，電化學(xué)阻抗譜研究表明，TiO2/染料/電解液界面之間的R_(CT)大小順序是：XS38 XS35 XS36 XS37；電子壽命大小順序：XS38 XS35 XS36 XS37。最后在AM 1.5的標(biāo)準(zhǔn)光照下，通過對(duì)基于這六種染料的DSSCs的光伏性能的研究得出：在XS35- XS38中，XS38敏化太陽能電池表現(xiàn)出比XS35-37更好的光伏性能，短路電流密度(JSC) 14.47 mA cm~(–2)，開路電壓(VOC) 670 mV,填充因子(ff) 0.63,光電轉(zhuǎn)換效率(η)為6.11%；染料C83和C84分別是單供電基和雙供電基結(jié)構(gòu)，本文對(duì)這兩種染料進(jìn)行了簡(jiǎn)單的測(cè)試，結(jié)果為：C83光伏性能優(yōu)于C84，短路電流密度（JSC）9.94 mA cm~(–2)，開路光電壓(VOC）585 mV，填充因子（ff）為0.62，光電轉(zhuǎn)化效率3.62％,相同條件下N719染料敏化太陽能電池的效率為7.36。這些染料的結(jié)構(gòu)和電池光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系，為今后設(shè)計(jì)出高效有機(jī)敏化染料奠定了基礎(chǔ)。 【關(guān)鍵詞】：染料敏化太陽能電池 融噻吩 敏化染料 三芳胺 光伏性能
【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】：2012
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 文獻(xiàn)綜述10-27
• 1.1 太陽能電池的研究背景及其發(fā)展10-12
• 1.2 染料敏化太陽能電池（DSSC）12-13
• 1.2.1 基本結(jié)構(gòu)12
• 1.2.2 工作原理12-13
• 1.3 敏化太陽能電池性能的主要指標(biāo)13-14
• 1.3.1 工作原理14
• 1.3.2 開路電壓14
• 1.3.3 單色光的光電轉(zhuǎn)換效率14
• 1.3.4 填充因子14
• 1.3.5 光電轉(zhuǎn)換效率14
• 1.4 光陽極14-16
• 1.5 對(duì)電極16
• 1.6 電解質(zhì)16-17
• 1.7 敏化染料17-27
• 1.7.1 敏化染料的特點(diǎn)17
• 1.7.2 敏化染料和二氧化鈦的結(jié)合方式17-18
• 1.7.3 金屬配合物光敏染料18-21
• 1.7.4 有機(jī)光敏染料21-25
• 1.7.5 本論文研究?jī)?nèi)容25-27
• 第二章 染料的合成27-44
• 2.1 試劑與儀器設(shè)備27-28
• 2.2 試劑的純化28-29
• 2.3 目標(biāo)染料化合物的合成29-43
• 2.3.1 合成路線29-32
• 2.3.2 合成方法32-43
• 2.4 本章小結(jié)43-44
• 第三章 染料的性質(zhì)測(cè)試與 DSSC 的制備、測(cè)試及其結(jié)果與討論44-56
• 3.1 DSSC 的制備、測(cè)試44-46
• 3.1.1 敏化太陽能電池的制備方法44-46
• 3.1.2 敏化太陽能電池的測(cè)試方法46
• 3.2 染料的光學(xué)測(cè)試46-47
• 3.3 染料的電化學(xué)性質(zhì)測(cè)試方法及密度泛函理論計(jì)算47
• 3.4 結(jié)果討論47-55
• 3.4.1 染料 XS35-XS38 的光譜學(xué)特性47-50
• 3.4.2 染料 XS35-XS38 的電化學(xué)特性50-51
• 3.4.3 染料 XS35-XS38 敏化太陽能電池的光伏性能測(cè)試51-54
• 3.4.4 染料 C83 和 C84 光電性能測(cè)試54-55
• 3.5 本章小結(jié)55-56
• 第四章 結(jié)論56-58
• 參考文獻(xiàn)58-62
• 發(fā)表論文和科研情況說明62-63
• 致謝63-64

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