应用于染料敏化太阳能电池的新型染料的制备及其性能研究

【摘要】：染料敏化纳米晶体太阳能电池（DSSC）是一种非常有前途的清洁太阳能装置。染料敏化剂是（DSSC）的重要组成部分，其性能的高低直接影响了电池的光电转化效率。到目前为止，由钌配合物作为光敏剂制得的染料敏化太阳能电池光电转化效率效率相对较高，接近12%，但是重金属钌元素在地壳中含量较低并且具有较大毒性的缺点制约了它的发展，纯有机染料具有分子结构多样、制备过程简单、可以通过对染料分子结构的简单修饰实现对光谱吸收的调控等优点，因此备受关注。 目前，人们设计的有机染料分子主要集中在对电子给体和π共轭单元的结构修饰上，而受体单元的变化很少，基本都是氰基乙酸或绕丹宁乙酸。本文通过调节受体单元，同时引入不同的π单元，制备了一系列具有D-π-A结构的有机染料，并对其电池器件性能进行表征。主要内容如下： （1）我们选择以二己氧基三苯胺作为电子给体基团，以拉电子的丙二酸作为电子受体基团，以双键、呋喃、噻吩作为π单元合成了一系列双齿染料ZH-1、ZH-2和ZH-3。测定了染料在CHCl_3中的紫外-可见吸收及荧光发射光谱。染料在溶液中的最大吸收波长和最大发射波长随着杂原子给电子能力增强发生了红移。染料在最大吸收波长处的摩尔消光系数也发生类似的变化。 染料的光电器件性能测试结果表明，3个染料的IPCE最大吸收超过80%，电池效率分别位于3.0-4.5%之间，随着染料π系统杂原子给电子能力的增强，短路光电流明显增大，相应的器件效率也有一定的提高。 （2）在以丙二酸二乙酯作为电子受体基团、二己氧基三苯胺作为电子给体基团的基础上，引入氰基（吸电子基和助色团），以双键、呋喃、噻吩作为π单元合成有机染料：ZH-4、ZH-5、ZH-6。测定了染料在CHCl_3中的紫外-可见吸收及荧光发射光谱。染料在溶液中的最大吸收波长和最大发射波长随着杂原子给电子能力增强发生了红移。 染料的光电器件性能测试结果表明，3个染料的电池效率分别位于3.3-4.5%之间。相对于不带氰基的染料，其光谱吸收范围变宽，IPCE最大值亦有所增大，短路光电流明显增大，开路电压减小。器件效率有所增加。 （3）我们在电子受体氰乙酸乙脂上引入氰基（吸电子基和助色团），得到具有双氰基的新型染料ZH-7、ZH-8和ZH-9。同单氰基丙烯酸染料相比，染料最大吸收波长分别红移了100nm左右。光谱分析结果表明，受体结构中，氰基的引入使染料的最大吸收波长大幅红移，消光系数显著提高。但是，由于双氰基的引入造成染料分子LUMO降幅过大使器件电子注入效率大幅下降造成此类染料相对于单氰基染料的器件性能显著下降。 【关键词】：太阳能电池 染料敏化 有机染料 电子受体 π共轭系统
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 中文摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 前言10-31
• 1.1 染料敏化纳米晶太阳能电池的概述11-13
• 1.1.1 DSSC 的基本结构11-12
• 1.1.2 DSSC 的光电转化过程12-13
• 1.1.3 DSSC 的性能表征参数13
• 1.2 染料敏化剂的研究进展13-29
• 1.2.1 金属配合物染料13-22
• 1.2.2 纯有机染料22-29
• 1.3 论文选题的研究内容及意义29-31
• 第二章 丙二酸双齿受体染料的制备及其光电性能研究31-44
• 2.1 引言31
• 2.2 合成实验部分31-38
• 2.2.1 合成路线设计31-32
• 2.2.2 仪器、试剂32-33
• 2.2.3 实验过程33-38
• 2.2.4 合成讨论及结构解析38
• 2.3 染料的光电性能38-42
• 2.3.1 主要仪器及试剂38-39
• 2.3.2 紫外-可见光吸收光谱及荧光发射光谱39-40
• 2.3.3 染料的电池器件性能40-42
• 2.4 本章小结42-44
• 第三章 含氰基双齿受体染料的制备及其光电性能研究44-54
• 3.1 引言44-45
• 3.2 合成实验部分45-49
• 3.2.1 合成路线设计45-46
• 3.2.2 仪器及试剂46
• 3.2.3 实验过程46-49
• 3.2.4 合成讨论及结构解析49
• 3.3 染料的光电性能49-53
• 3.3.1 主要仪器及试剂49
• 3.3.2 紫外-可见吸收及发射光谱49-51
• 3.3.3 染料的电池器件性能51-53
• 3.4 本章小结53-54
• 第四章 双氰基丙烯酸受体染料的制备及其光电性能研究54-64
• 4.1 引言54-55
• 4.2 合成实验部分55-60
• 4.2.1 合成路线设计55-56
• 4.2.2 仪器和试剂56
• 4.2.3 实验过程56-59
• 4.2.4 合成讨论及结构解析59-60
• 4.3 染料的光电性能60-63
• 4.3.1 主要仪器及试剂60
• 4.3.2 紫外-可见光吸收光谱及荧光发射光谱60-61
• 4.3.3 染料的电池器件性能61-63
• 4.4 本章小结63-64
• 参考文献64-72
• 结论72-74
• 附录 1：主要中间体及染料的~1H NMR74-86
• 附录 2：染料的~(13)C NMR86-91
• 附录 3：染料红外谱图91-97
• 致谢97

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