噻吩类有机染料和电催化材料在染料敏化太阳能电池中的应用

【摘要】：染料敏化太阳能电池是一种新型、无污染的清洁能源,其成本低、制作工艺简单、光电转换效率较高,引起了全世界科研工作者的广泛关注。本论文合成三个体系的新型染料作为光敏剂、导电聚合物和掺杂石墨烯材料作为对电极应用于染料敏化太阳能电池(DSSC),主要的研究内容和结果如下：(1)设计并合成了两个基于二苯并噻吩π桥,三苯胺电子给体,腈基乙酸电子受体的染料。烷基链的存在能有效的抑制染料聚集和电荷复合,从而提高了开路电压。(2)设计并合成了两个基于4,8-二噻吩苯并[1,2-b：4,5-b']二噻吩的同分异构体染料,在其垂直的两个方向分别构建交叉共轭化合物。研究发现,电荷在平行苯并二噻吩(I2)方向的传输强度要远远大于垂直苯并二噻吩(I1)方向的传输。因此,I2的短路电流和光电转换效率比I1都要高。(3)设计并合成了三个以烷氧基链相连的3,4-乙烯二氧噻吩(EDOT)衍生物作为π共轭桥的同分异构体的双D-π-A染料,太阳能电池的性能依赖于EDOT中烷氧基的连接位置。在这三种异构体当中,H1(两个烷氧基的连接位点都靠近给体)表现出最高的效率(8.06%),H2(一个烷氧基的连接位点靠近给体,一个烷氧基的连接位点靠近受体)具有较低的效率,H3(两个烷氧基的连接位点都靠近受体)具有最低的效率。(4)合成了一种带有双功能基团的3,4-乙烯二氧噻吩(EDOT)衍生物,通过电化学聚合的方法原位制备了一种具有液晶性质导电聚合物薄膜。分子有序使液晶聚合物膜的载流子迁移率高,因此有较高的电催化活性。当作为阴极材料应用到染料敏化太阳能电池中,获得了8.08%的光电转换效率,同比条件下,铂阴极的光电转换效率为7.69%。(5)合成了一种N,B-掺杂的石墨烯应用于染料敏化太阳能电池,该石墨烯具有较高的比表面积和较高的电催化活性。其电催化活性随着掺杂B元素的掺杂含量的增加而增加,当达到一定量后,随着B元素的掺杂含量的增加而减小。最好的掺杂石墨烯对电极获得了8.09%的光电转化效率,同比条件下,铂阴极的光电转换效率为7.54%。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 染料 双-π-A 电催化活性 导电聚合物 N B-掺杂石墨烯
【学位授予单位】：复旦大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-9
• 第一章 绪论9-41
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 DSSC的基本概念与性能表征10-13
• 1.2.1 DSSCs的器件结构和原理10-11
• 1.2.2 J-V特性曲线11-12
• 1.2.3 有机太阳能电池的性能表征参数12-13
• 1.3 衬底13
• 1.4 半导体纳米晶薄膜13-15
• 1.5 电解质15-17
• 1.6 对电极材料17-21
• 1.6.1 碳材料对电极17-18
• 1.6.2 无机材料对电极18-19
• 1.6.3 导电聚合物对电极19-21
• 1.7 光敏染料21-30
• 1.7.1 多联吡啶钌钌染料22-23
• 1.7.2 金属卟啉23-25
• 1.7.3 金属酞菁25-26
• 1.7.4 纯有机染料26-30
• 1.8 论文的选题意义及主要研究内容30-32
• 参考文献32-41
• 第二章 实验部分41-46
• 2.1 试剂与仪器41-44
• 2.2 TiO_2浆料的制备44
• 2.3 TiO_2光阳极的制备44-45
• 2.4 液态电解质的配制45
• 2.5 电池的封装45
• 2.6 电池的光电性能测试45-46
• 第三章 二苯并噻吩连接的D-π-A染料的合成及性能研究46-59
• 3.1 引言46
• 3.2 实验部分46-52
• 3.2.1 仪器与试剂46-47
• 3.2.2 染料的合成与表征47-52
• 3.3 结果与讨论52-57
• 3.3.1 染料的合成52
• 3.3.2 染料的紫外-可见吸收光谱52-54
• 3.3.3 染料的电化学性能54
• 3.3.4 染料的密度泛函理论计算54-55
• 3.3.5 染料的光伏性能55-57
• 3.4 本章小结57-58
• 参考文献58-59
• 第四章 4,8-二噻吩苯并[1,2-b：4,5-b’]二噻吩交叉共轭有机染料的电荷转移59-75
• 4.1 引言59-60
• 4.2 实验部分60-66
• 4.2.1 仪器与试剂60
• 4.2.2 染料及中间体的合成与表征60-66
• 4.3 结果与讨论66-73
• 4.3.1 染料的合成66
• 4.3.2 染料的紫外-可见吸收光谱66-68
• 4.3.3 染料的荧光光谱68-69
• 4.3.4 染料的密度泛函理论计算69-70
• 4.3.5 染料的循环伏安曲线70-71
• 4.3.6 染料的光伏性能71-72
• 4.3.7 强度调制光电压测试(IMVS)72-73
• 4.4 本章小结73-74
• 参考文献74-75
• 第五章 双D-π-A结构的染料在染料敏化太阳能电池中的应用与研究75-92
• 5.1 引言75-76
• 5.2 实验部分76-82
• 5.2.1 仪器与试剂76
• 5.2.2 染料及中间体的合成与表征76-82
• 5.3 结果与讨论82-90
• 5.3.1 染料的合成82-83
• 5.3.2 染料的紫外-可见吸收光谱83-84
• 5.3.3 染料的红外光谱84-85
• 5.3.4 染料的密度泛函理论计算85-86
• 5.3.5 染料的电化学性质86-87
• 5.3.6 染料的光伏性能87-89
• 5.3.7 强度调制光电压测试(IMVS)89-90
• 5.4 本章小结90-91
• 参考文献91-92
• 第六章 液晶聚合物的合成及其作为DSSCs对电极的性能研究92-106
• 6.1 引言92-93
• 6.2 实验部分93-98
• 6.2.1 仪器与试剂93
• 6.2.2 EDOT衍生物的合成与表征93-98
• 6.3 结果与讨论98-101
• 6.3.1 单体和聚合物的红外表征98
• 6.3.2 聚合物薄膜的扫描电镜表征98-99
• 6.3.3 聚合物薄膜的偏光显微镜表征99
• 6.3.4 聚合物薄膜的热重分析99-100
• 6.3.5 液晶EDOT膜的电化学性能100-101
• 6.4 液晶EDOT膜DSSCs的性能表征101-104
• 6.5 本章小结104-105
• 参考文献105-106
• 第七章 N,B-掺杂石墨烯的制备及其作为对电极在DSSCs中的应用与研究106-118
• 7.1 前言106
• 7.2 实验部分106-107
• 7.2.1 N,B-掺杂的石墨烯的制备106-107
• 7.2.2 N,B-掺杂石墨烯对电极的制备107
• 7.2.3 N,B-掺杂石墨烯对电极的表征及光伏性能测试107
• 7.3 结果与讨论107-116
• 7.3.1 N,B-掺杂石墨烯的拉曼表征107-108
• 7.3.2 N,B-掺杂石墨烯的X射线光电子能谱(XPS)表征108-109
• 7.3.3 掺杂石墨烯的比表面积分析109-110
• 7.3.4 N,B-掺杂石墨烯的XRD表征110
• 7.3.5 N,B-掺杂石墨烯的扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)表征110-111
• 7.3.6 N,B-掺杂石墨烯对电极的电化学性质111-115
• 7.3.7 N,B-掺杂石墨烯的光电性能115-116
• 7.4 本章小结116-117
• 参考文献117-118
• 全文总结118-120
• 攻读博士学位期间已取得的研究成果120-121
• 致谢121-122

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