含苯并吡喃及二氢噻唑π-桥基的有机染料在染料敏化太阳能电池中的应用及电池稳定性影响因素的研究

【摘要】：光敏染料作为染料敏化太阳能电池(DSSCs)的核心部分,近年来被广泛研究。由于纯有机光敏染料具有易于合成、摩尔消光系数较高和成本较低等优点,是钌金属配合物光敏染料的理想替代品。大多数有机光敏染料具有D-π-A结构。π-桥基起到连接电子供体和电子受体的作用且对光敏染料的光伏性能具有较大影响。 本论文设计合成了3个含苯并吡喃π-桥基和2个含二氢噻唑π-桥基的新型光敏染料,研究了这些染料的光物理和电化学性质。作者将其应用于染料敏化太阳能电池中,研究了染料结构与电池光电性能的关系。 含苯并吡喃π-桥基的光敏染料在400-600nm对太阳光具有较强的光谱吸收。CCl系列光敏染料应用于染料敏化太阳能电池获得了较好的光电转换效率,其中以CC103为光敏染料制备的电池获得了7.5%的光电转换效率。 对于含二氢噻唑π-桥基的光敏染料,二氢噻唑结构单元和氰基丙烯酸基的协同吸电子作用有效地减小了光敏染料的禁带宽度(乓),使光敏染料对太阳光光谱具有较宽的响应范围(300-800nm)。使用钴电解质,以CC202为光敏染料的电池获得了6.1%的光电转换效率。基于碘电解质,以CC201为光敏染料的电池显示了较好的稳定性。 为了更好地探究电池稳定性的影响因素,本论文将以氰基丙烯酸基为电子受体的光敏染料应用于染料敏化太阳能电池,研究了染料降解的具体过程。研究表明,在水和紫外光的共同作用下,染料的吸电子基团氰基丙烯酸基降解为甲酰基,使染料从TiO2表面脱附下来,导致电池效率明显下降。降解产物中甲酰基的氧原子来源于电池中的水。因此,在DSSCs的封装过程中严格控制电池中的含水量及滤除紫外光,保证较好的电池密闭性,会有效提升电池的稳定性和使用寿命。 【关键词】：二氢噻唑 苯并吡喃 氰基丙烯酸基团 纯有机光敏染料
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-11
• TABLE OF CONTENTS11-14
• 图目录14-16
• 表目录16-18
• 主要符号表18-19
• 1 太阳能及太阳能电池概述19-52
• 1.1 前言19-20
• 1.2 太阳能概述20-23
• 1.3 太阳能电池23-26
• 1.3.1 太阳能电池的历史23-24
• 1.3.2 太阳能电池的分类24-26
• 1.4 染料敏化太阳能电池26-30
• 1.4.1 染料敏化太阳能电池的结构与工作原理26-28
• 1.4.2 衡量染料敏化太阳能电池光电性能的指标28-30
• 1.5 纳米半导体多孔电极30-31
• 1.6 光敏染料31-47
• 1.6.1 金属配合物光敏染料31-37
• 1.6.2 纯有机光敏染料37-47
• 1.7 电解质47-49
• 1.8 对电极49-50
• 1.9 展望和选题依据50-52
• 2 含苯并吡喃桥及二氢噻唑π-桥基的有机光敏染料的设计、合成与表征52-70
• 2.1 引言52
• 2.2 仪器与试剂52-53
• 2.3 含苯并吡喃π-桥基的光敏染料的设计、合成与表征53-61
• 2.4 含二氢噻唑π-桥基的光敏染料的设计、合成与表征61-69
• 2.5 本章小结69-70
• 3 含苯并吡喃π-桥基的光敏染料的光物理、电化学性质及电池的光伏性能研究70-85
• 3.1 引言70
• 3.2 基于含苯并吡喃π-桥基的光敏染料的电池的组装和测试方法70-73
• 3.2.1 试剂、材料与仪器70-71
• 3.2.2 光敏染料的光物理、电化学性质的测试方法71
• 3.2.3 染料敏化太阳能电池的组装71-73
• 3.2.4 染料敏化太阳能电池光电性能的测试方法73
• 3.3 含苯并吡喃π-桥基的光敏染料性质及电池性能的研究73-84
• 3.3.1 含苯并吡喃π-桥基的光敏染料的紫外可见吸收光谱测试73-77
• 3.3.2 含苯并吡喃π-桥基的光敏染料的电化学性质研究77-78
• 3.3.3 含苯并吡喃π-桥基的光敏染料的密度泛函理论计算78-80
• 3.3.4 基于含苯并吡喃π-桥基的光敏染料的电池的光伏性能测试80-82
• 3.3.5 基于含苯并吡喃π-桥基的光敏染料的电池的电化学阻抗测试82-84
• 3.4 本章小结84-85
• 4 含二氢噻唑π-桥基的光敏染料的光物理、电化学性质及电池的光伏性能研究85-98
• 4.1 引言85
• 4.2 基于含二氢噻唑π-桥基的光敏染料的电池的组装和测试方法85-86
• 4.3 含二氢噻唑π-桥基的光敏染料性质及电池的性能研究86-96
• 4.3.1 含二氢噻唑π-桥基的光敏染料的紫外可见吸收光谱测试86-87
• 4.3.2 含二氢噻唑π-桥基的光敏染料的电化学性质研究87-89
• 4.3.3 含二氢噻唑π-桥基的光敏染料的密度泛函理论计算89-90
• 4.3.4 基于含二氢噻唑π-桥基的光敏染料的电池的光伏性能测试90-93
• 4.3.5 二氧化钛导带中的电子寿命测试93-94
• 4.3.6 基于含二氢噻唑π-桥基的光敏染料的电池的电化学阻抗测试94-95
• 4.3.7 基于含二氢噻唑π-桥基的光敏染料的电池稳定性测试95-96
• 4.4 本章小结96-98
• 5 以氰基丙烯酸基为吸电子基的有机光敏染料的降解及其电池稳定性的研究98-109
• 5.1 引言98
• 5.2 基于以氰基丙烯酸基为吸电子基的光敏染料的电池的组装和测试方法98-99
• 5.3 以氰基丙烯酸基为吸电子基的光敏染料的降解99-101
• 5.4 染料降解的影响因素101-106
• 5.4.1 水和含水量对染料降解的影响101-104
• 5.4.2 紫外光对染料降解的影响104-105
• 5.4.3 温度对染料降解的影响105-106
• 5.4.4 氧化还原电对Ⅰ~-/Ⅰ_3~-对染料降解的影响106
• 5.5 染料的降解机理106-108
• 5.6 本章小结108-109
• 6 结论与展望109-112
• 6.1 结论与创新点109-110
• 6.2 创新点摘要110
• 6.3 展望110-112
• 参考文献112-120
• 附录A 名词及药品符号缩写表120-121
• 致谢121-122
• 作者简介122
• 攻读博士学位期间科研项目及科研成果122-124

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