染料敏化太阳能电池关键材料研究

【摘要】：随着人类社会的发展以及人口的急剧增长,人类对能源的需求量逐年增加。传统石化能源不可再生,因此对可再生能源的有效利用成为了亟待解决的问题。太阳能是可再生能源开发利用中最活跃的领域,利用太阳能电池发电是太阳能利用的主要方式之一。上世纪90年代初瑞士联邦高工教授Michael Gratzel开发了价格相对便宜、制备工艺简单、具有较高光电转换效率且对环境无污染的染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized Solar Cell, DSSC)。经过20多年的发展,DSSC太阳能电池的光电转换效率已经达到12%左右。为了进一步提高DSSC器件的光电转换效率,本文针对DSSC关键材料做了如下研究： (1)设计了基于卟啉衍生物的大环和染料分子,对这些分子进行了实验合成,前期的实验合成已经取得了阶段性进展,得到了一些中间产物。 (2)设计了一系列基于三苯胺-四硫富瓦希(tetrathiafulvalene,TTF)的D-D-π-A型染料分子,这种结构的染料分子有利于降低能级,提高染料对光的吸收利用效率；在此基础上我们利用Gaussian03对所设计的染料分子进行了理论分析；理论研究表明我们所设计的分子无论是能级结构还是吸收光谱都很适合用于DSSC器件。最后我们还对部分分子进行了合成,并对其进行了性能表征应用于DSSC中,得到了相对较高的光电转换效率。 (3)制备了基于等离子激元效应和氧化锌包裹二氧化钛(ZnO@TiO2)核壳结构的DSSC光阳极。随着等离子基元颗粒含量的增加,基于等离子基元效应改性的光阳的DSSC电池器件的效率提高,最高效率达到4.81%。而基于核壳结构的DSSC器件的开路电压随着氧化锌含量的增加而提高,短路电流随之下降；通过改变氧化锌的含量寻找开路电压与短路电流之间的平衡是今后工作的重点。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 卟啉衍生物 三苯胺类染料 等离子激元效应 核壳结构
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 中文摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 染料敏化太阳能电池的研究现状10-29
• 1.1 染料敏化太阳能电池的工作原理10-13
• 1.2 染料敏化太阳能电池用光敏剂研究进展13-24
• 1.2.1 多吡啶钌类染料研究进展13-15
• 1.2.2 卟啉类染料研究进展15-19
• 1.2.3 三苯胺类染料研究进展19-24
• 1.3 染料敏化太阳能电池用光阳极研究进展24-27
• 1.4 论文选题及研究内容27-29
• 第二章 基于卟啉衍生物类大环分子及染料研究29-40
• 2.1 卟啉及其衍生物的基本性质29
• 2.2 基于卟啉衍生物类大环分子的设计合成29-37
• 2.2.1 四苯基卟啉衍生物前躯体的合成29-32
• 2.2.2 基于卟啉衍生物[2+2]目标分子的合成与结构表征32-33
• 2.2.3 基于卟啉衍生物[2+2]目标分子中间体的合成与结构表征33-34
• 2.2.4 基于卟啉衍生物[3+3]目标分子的合成与结构表征34-35
• 2.2.5 基于卟啉衍生物[3+3]目标分子中间体的合成与结构表征35-36
• 2.2.6 基于卟啉衍生物[6+6]目标分子的合成与结构表征36-37
• 2.2.7 基于卟啉衍生物[6+6]目标分子中间体的合成与结构表征37
• 2.3 基于卟啉衍生物类染料分子的设计合成37-39
• 2.4 本章小结39-40
• 第三章 基于TTF-TPA新型有机染料的理论及实验研究40-56
• 3.1 基于TTF-TPA新型有机染料的设计40-41
• 3.2 基于Gaussian03的理论计算41-43
• 3.2.1 计算理论41-42
• 3.2.2 分子几何结构42-43
• 3.3 结果与讨论43-49
• 3.3.1 D1和D2的讨论分析43-46
• 3.3.1.1 D1和D2的轨道结构43-44
• 3.3.1.2 D1和D2的能级结构44-45
• 3.3.1.3 D1和D2的光谱分析45-46
• 3.3.2 E1和E2的讨论分析46-49
• 3.3.2.1 E1和E2的轨道结构46-47
• 3.3.2.2 E1和E2的能级结构47-48
• 3.3.2.3 E1和E2的光谱分析48-49
• 3.4 D1和D2的合成及性能研究49-55
• 3.4.1 实验试剂49-50
• 3.4.2 D1和D2的合成路线50-52
• 3.4.2.1 三苯胺多醛的合成50
• 3.4.2.2 TTF的合成50-52
• 3.4.2.3 染料分子D1和D2的合成52
• 3.4.3 染料分子D1和D2的性能表征52-55
• 3.4.3.1 染料分子D1和D2的质谱测试及分析53
• 3.4.3.2 染料分子D1和D2的UV-Vis光谱测试及分析53-54
• 3.4.3.3 染料分子的电化学性能测试及分析54-55
• 3.4.4 基于染料分子D1和D2的染料敏化太阳能电池的性能55
• 3.5 本章小结55-56
• 第四章 二氧化钛光阳极的改性及性能研究56-72
• 4.1 基于等离子基元效应的二氧化钛光阳极改性研究56-64
• 4.1.1 等离子基元效应原理及应用56-57
• 4.1.2 实验试剂及仪器57
• 4.1.3 纳米晶二氧化钛浆料的制备57-58
• 4.1.4 对电极的制备58
• 4.1.5 DSSC电池的封装58-59
• 4.1.6 电池光阳极的UV-Vis分析59
• 4.1.7 电池I-V曲线的测试与分析59-61
• 4.1.8 电池暗电流的测试与分析61-62
• 4.1.9 电池波特图的分析62-63
• 4.1.10 电池的交流阻抗分析63-64
• 4.2 基于氧化锌包裹的二氧化钛(ZnO@TiO_2)电极的改性64-71
• 4.2.1 基于ZnO@TiO_2电极的电子传输机理64
• 4.2.2 实验过程64-65
• 4.2.3 基于ZnO@TiO_2光阳极的XRD图谱分析65-66
• 4.2.4 基于ZnO@TiO_2光阳极的XPS图谱分析66-68
• 4.2.5 基于ZnO@TiO_2光阳极的SEM分析68
• 4.2.6 光阳极的紫外可见吸收光谱分析68-69
• 4.2.7 电池的效率测试69-70
• 4.2.8 基于ZnO@TiO_2染料敏化太阳能电池的EIS图谱70-71
• 4.3 本章小结71-72
• 第五章 结论与展望72-75
• 5.1 结论72-73
• 5.2 本文创新点73
• 5.3 展望73-75
• 致谢75-76
• 参考文献76-84
• 攻读硕士期间所取得的成果84

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