蒽类光敏染料的合成及在太阳能电池中的应用与研究

【摘要】：光敏染料是染料敏化太阳能电池(DSSC)中的一个关键组成部分,在太阳光的照射下将被激发的电子注入Ti02导带中,与此同时,还原态的电解质(13-/I-)将氧化态的染料分子还原成基态。由于纯有机敏化太阳能电池较低的制作成本,与传统的金属化合物敏化电池相比,纯有机染料敏化太阳能电池有了广泛的研究和长足的发展。 本文共设计并合成了9个芳胺类纯有机敏化染料,包括7个蒽类染料和两个三苯胺类染料。并利用1HNMR和13CNMR谱对这些化合物进行了结构表征。同时,对这9个光敏染料进行了光物理性质,电化学性质,密度泛函理论计算和光伏性能的各项测试和研究。 敏化染料的光物理性质和其结构有着紧密的联系。实验表明,染料分子的共轭性会显著的影响其光物理性质,空间位阻越大,体系的共轭性就越差,阻碍了电子在染料分子中的传递,使染料的吸收光谱蓝移,吸收太阳光的能力下降。在作为桥键的噻吩环上引入取代基可以调节染料的吸收光谱,吸电子基的引入能使染料的吸收光谱发生红移。实验设计和合成的所有敏化染料的HOMO轨道能级都能保证染料的重生,LUMO轨道能级都能使电子有效的注入半导体导带。染料HOMO和LUMO能级值受到染料分子结构变化的影响。并三噻吩做为桥键时,敏化染料的HOMO能级值有所升高,使其与电解液中I3-/I-电对之间的电位差变小,最终导致了染料还原再生的驱动力的降低。 敏化染料的结构变化对电池的光伏性质也会产生重要的影响。通过对不同电子给体蒽类和三苯胺类染料的研究表明,电子给体是非平面结构的光敏染料在不含分子聚集抑制剂的情况下,能够有效阻止其在二氧化钛表面的H聚集,并获得较高的光电转换效率。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 纯有机光敏染料 蒽 三苯胺 光电转换效率
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-37
• 1.1 引言9
• 1.2 太阳能电池的基本分类9-10
• 1.2.1 结晶硅类10
• 1.2.2 无机复合物类10
• 1.2.3 有机太阳能类10
• 1.3 染料敏化太阳能电池简介10-13
• 1.3.1 染料敏化太阳能电池的性能参数10-12
• 1.3.2 染料敏化太阳能电池的结构及工作原理12-13
• 1.4 光敏染料及其种类13-35
• 1.4.1 金属化合物13-19
• 1.4.2 卟啉和酞菁类化合物19-25
• 1.4.3 有机染料25-35
• 1.5 选题背景和依据35-37
• 2 蒽类有机敏化染料的合成和表征37-58
• 2.1 实验试剂37-38
• 2.2 实验仪器38-39
• 2.3 实验部分39-58
• 2.3.1 染料Ⅰ的合成39-43
• 2.3.2 染料Ⅱ的合成43-46
• 2.3.3 染料Ⅲ的合成46-48
• 2.3.4 染料Ⅳ的合成48-51
• 2.3.5 染料Ⅴ的合成51-53
• 2.3.6 染料Ⅵ的合成53-55
• 2.3.7 染料Ⅶ的合成55
• 2.3.8 染料Ⅷ的合成55
• 2.3.9 染料Ⅸ的合成55-58
• 3 蒽类有机敏化染料的光物理和电化学性质以及光伏性能58-73
• 3.1 染料的紫外可见吸收和荧光发射光谱58-62
• 3.2 染料的电化学性质62-66
• 3.3 密度泛函理论计算66-67
• 3.4 敏化太阳能电池的组装67-68
• 3.4.1 TiO_4水溶液的制备67
• 3.4.2 FTO导电玻璃的预处理67
• 3.4.3 TiO_2膜的制备67-68
• 3.4.4 TiO_2薄膜的敏化68
• 3.4.5 对电极的制备68
• 3.4.6 电池的组装68
• 3.5 染料的光伏性能68-73
• 4 结论73-74
• 参考文献74-80
• 附图80-101
• 个人简历101-102
• 致谢102

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