芳胺染料在溴（碘）基染料敏化太阳能电池中的应用

【摘要】： 在染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized Solar Cell, DSC)中,光敏染料吸收太阳光并将激发态电子注入到纳米半导体二氧化钛(TiO2)的导带,同时产生的氧化态染料分子快速地被电解质中的氧化还原电对还原再生。光敏染料是DSC获得高光电转换效率和长寿命的决定因素之一。为了降低DSC的成本,纯有机光敏染料作为贵金属配合物光敏染料的替代品,在近年来成为光敏染料的研究热点并取得了长足的发展。 基于纯有机光敏染料的应用前景,本论文共设计合成了23个以三苯胺、吩噻嗪和咔唑为电子给体(Donor, D)、氰基羧乙烯基为电子受体(Acceptor, A)、并通过不同的π-桥基(π-conjugation)相连的D-π-A电子推拉型芳胺类纯有机光敏染料。利用质谱(MS)、核磁共振氢谱(1H-NMR)对这些染料进行了结构表征。研究了这些染料的光物理、电化学性质,并将其分别应用于碘基电解质和溴基电解质DSC,系统地考察了染料结构与电池性能之间的关系。 光敏染料的结构对其光物理、电化学性质有着重要的影响。在染料π-桥基中引入三键或蒽结构单元,同时调节染料分子结构的共面性,可以有效地增大π-桥基的共轭体系和拓宽染料的吸收光谱,从而增强染料对光的捕捉能力。所有染料的最低空余轨道(Lowest Unoccupied Molecular Orbital, LUMO)和最高占有轨道(Highest Occupied Molecular Orbital, HOMO)能级分别满足了激发态染料分子向TiO2导带中注入电子和氧化态染料分子从碘基电解质中得到电子而还原再生的能级匹配要求。以三苯胺和咔唑为电子给体、氰基羧乙烯基为电子受体的芳胺染料TC301-TC308的HOMO能级都要比溴基电解质电势更正,同时也满足了氧化态染料分子从溴基电解质中得到电子而还原再生的能级匹配要求。 在染料的π-桥基中引入三键,能提高电子转移产率、单色光光电转换效率(Incident Photon-to-current Conversion Efficiency, IPCE)和电池的光电转换效率。而在染料的π-桥基中引入蒽结构单元能极大得提高电子在TiO2膜中的寿命,抑制电子复合,从而提高电池的开路电压(Voc)。通过优化染料吸收光谱和分子共面性,以三苯胺为电子给体、氰基羧乙烯基为电子受体、π-桥基中含有三键的染料TC103敏化DSC实现了5.00%的光电转换效率,而以三苯胺为电子给体、氰基羧乙烯基为电子受体、π-桥基中含有蒽结构单元的染料TC501敏化DSC实现了7.03%的光电转换效率 用溴基电解质代替碘电解质后，因为电解质中氧化还原电对电势和TiO2费米能级之间能差的增大和电子复合的抑制,电池开路电压大幅度提高。对于HOMO能级比溴基电解质电势更正的染料,其被碘基电解质和溴基电解质还原再生的驱动力都是足够的,所以其能有效地被碘基电解质和溴基电解质还原再生。而对于HOMO能级和溴基电解质电势相比不够正的染料,其被碘基电解质还原再生的驱动力是足够的,而被溴基电解质还原再生的驱动力却是不够的,所以其只能有效地被碘基电解质还原再生,而不能被溴基电解质有效地还原再生。在使用溴基电解质的情况下,染料TC301敏化DSC实现了高达1.156 V的开路电压和3.68%的光电转换效率,而染料TC305敏化DSC在实现了5.22%的高光电转换效率的同时保持了0.939 V的高开路电压。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 芳胺光敏染料 三键 蒽 溴基电解质
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 引言11-12
• 1 文献综述12-36
• 1.1 太阳能及太阳能电池12-16
• 1.1.1 绪论12-13
• 1.1.2 太阳能13-14
• 1.1.3 太阳能电池的发展和分类14-16
• 1.2 染料敏化太阳能电池(DSC)16-36
• 1.2.1 引言16-17
• 1.2.2 电池的结构和工作原理17-18
• 1.2.3 衡量电池性能的指标18-20
• 1.2.4 宽带隙半导体多孔电极20-21
• 1.2.5 光敏染料21-32
• 1.2.6 电解质32-33
• 1.2.7 对电极33-34
• 1.2.8 展望34
• 1.2.9 选题依据34-36
• 2 芳胺光敏染料的设计、合成与表征36-68
• 2.1 引言36
• 2.2 仪器与试剂36-37
• 2.3 π-桥基含有三键芳胺染料的设计、合成与表征37-47
• 2.3.1 分子结构设计38-40
• 2.3.3 合成方法与表征40-47
• 2.4 π-桥基含有蒽结构单元芳胺染料的设计、合成与表征47-59
• 2.4.1 分子结构设计47-48
• 2.4.2 合成路线48-50
• 2.4.3 合成方法与表征50-59
• 2.5 应用于溴基DSC的芳胺染料的设计、合成与表征59-67
• 2.5.1 分子结构设计62
• 2.5.2 合成路线62
• 2.5.3 合成与表征62-67
• 2.6 本章小结67-68
• 3 电池的组装、测试与光敏染料性质的测试68-72
• 3.1 引言68
• 3.2 电池的组装与测试68-71
• 3.2.1 试剂、材料与仪器68-69
• 3.2.2 电池的组装69-70
• 3.2.3 电池的测试70-71
• 3.3 光敏染料光物理、电化学性质的测试71
• 3.3.1 紫外可见吸收光谱和荧光发射光谱测试71
• 3.3.2 电化学性质测试71
• 3.3.3 瞬态吸收和动力学测试71
• 3.3.4 电化学阻抗测试71
• 3.4 本章小结71-72
• 4 π-桥基含有三键芳胺染料的光物理、电化学性质以及光电转换性能72-84
• 4.1 引言72
• 4.2 紫外可见吸收光谱72-75
• 4.3 电化学性质75-78
• 4.4 密度泛函理论计算78-79
• 4.5 电池的光电转换性能79-81
• 4.6 电化学阻抗谱81-83
• 4.7 本章小结83-84
• 5 π-桥基含有蒽结构单元芳胺染料的光物理、电化学性质以及光电转换性能84-94
• 5.1 引言84
• 5.2 紫外可见吸收光谱84-87
• 5.3 电化学性质87-89
• 5.4 密度泛函理论计算89
• 5.5 电池的光电转换性能89-91
• 5.6 蒽结构单元在染料π-桥基中的引入对电池性能的影响91-93
• 5.7 本章小结93-94
• 6 应用于溴基DSC的芳胺染料的光物理、电化学性质以及光电转换性能94-109
• 6.1 引言94-95
• 6.2 紫外可见吸收光谱95-97
• 6.3 电化学性质97-98
• 6.4 Li~+离子效应对染料光物理、电化学性质的影响98-99
• 6.5 密度泛函理论计算99-100
• 6.6 电池的的光电转换性能100-102
• 6.7 电池的的光电流工作谱102-104
• 6.8 电化学阻抗谱104-105
• 6.9 电子转移动力学105-107
• 6.10 本章小结107-109
• 结论109-111
• 参考文献111-121
• 附录1 名词及试剂缩写诠释121-123
• 附录2 目标化合物和参比化合物的结构及名称123-126
• 创新点摘要126-127
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况127-129
• 致谢129-130
• 作者简介130-132

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