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高效卟啉染料的设计、合成及介观太阳能电池研究

来源:论文学术网
时间:2024-08-18 21:27:16
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高效卟啉染料的设计、合成及介观太阳能电池研究【摘要】:由于制备工艺简单、原材料价格低廉,并能制备成柔性器件和彩色透明器件等特点,染料敏化太阳能电池(Dye-Sensitized S

【摘要】:由于制备工艺简单、原材料价格低廉,并能制备成柔性器件和彩色透明器件等特点,染料敏化太阳能电池(Dye-Sensitized Solar Cells, DSCs)一直被视为第三代太阳能电池中最具应用前景的光电转换技术之一。目前实验室测试DSCs的最高光电转换效率已达到13%。染料作为DSCs中的光捕获部分,在光电转换过程中承担决定性作用。卟啉具有结构多样、光捕获范围宽、光电性质稳定等特性,因此是DSCs最有潜力的高效、低成本染料之一。本文选用卟啉作为骨架结构,设计合成了一系列高效卟啉染料,系统研究了在给体-受体结构下,卟啉的结构与其光电化学性质的关系,为高效、低成本的卟啉敏化剂的设计与合成提供依据。主要开展了如下几方面研究工作: 以卟啉为骨架结构,设计合成具有不同受体共轭基团的卟啉染料LW1-LW4。其中以噻吩或3,4-乙烯二氧噻吩为受体共轭基,氰基乙酸为吸附基团的染料LW2与LW3,其光捕获范围拓宽至850nm,而具有刚性共轭结构的LW4获得了9.53%的光电转换效率,高于参比染料LD14的9.01%; 以卟啉为骨架结构,用噻吩延长受体共轭基长度,设计合成了两种卟啉染料LW5-LW6。研究了共轭长度对染料激发态电子注入效率、氧化态染料还原速率的影响。其中LW5染料与钴配合物电解质作用下,获得7.75%的光电转效率; 以卟啉为骨架结构,研究连苯,连噻吩,或熔融噻吩作为受体共轭基团时卟啉染料光电化学性质的变化。其中以熔融噻吩作为受体共轭基团的LW9染料,其光捕获范围拓宽到850nm,并在卟啉特征吸收带B带520nm出现肩峰,填补了卟啉染料B带和Q带之间的吸收空隙。以新型钴络合物作为电解质,其DSCs获得6.50%的光电转换效率; 以卟啉为骨架结构,设计合成两种吡啶吸附基团的卟啉染料LW11-LW12及一种双羧基卟啉染料LW13。其中LW11染料的DSCs的光电转换效率达到3.96%,为当时非质子染料的最高DSCs效率; 以卟啉为骨架结构,设计合成三种具有不同卟啉支链结构的染料LW14-LW16。其中以己基噻吩作为卟啉环支链的染料LW16的DSCs获得最高电池转换效率8.50%; 以炔基芘共轭的卟啉为骨架结构,设计合成了三种具有不同受体共轭基团的卟啉染料LW17-LW19。其中以噻吩为受体共轭基的LW18染料的DSCs获得最高效率8.74%。 【关键词】:给体-受体 卟啉 染料 光捕获 近红外吸收染料敏化太阳能电池
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TM914.4
【目录】:
  • 摘要4-6
  • Abstract6-9
  • 目录9-13
  • 1 绪论13-35
  • 1.1 研究背景13-14
  • 1.2 染料敏化太阳能电池的优势14-18
  • 1.3 染料敏化太阳能电池的基本原理18-20
  • 1.4 染料敏化太阳能电池的发展20-27
  • 1.5 卟啉及卟啉染料的发展27-33
  • 1.6 论文的研究思路和工作内容33-35
  • 2 卟啉中受体共轭基团的改性及其光伏应用35-60
  • 2.1 引言35-37
  • 2.2 实验部分37-49
  • 2.3 LW1-LW4的光谱及电化学性质49-53
  • 2.4 LW1-LW4的密度泛函计算53-54
  • 2.5 基于LW1-LW4的染料敏化太阳能电池的光伏性能54-56
  • 2.6 LW1-LW4的电子注入56-57
  • 2.7 基于LW1-LW4的染料敏化太阳能电池的界面研究57-59
  • 2.8 本章小结59-60
  • 3 受体共轭基团延长的卟啉及其光伏应用60-78
  • 3.1 引言60-61
  • 3.2 实验部分61-67
  • 3.3 LW5-LW6的光谱与电化学性质67-70
  • 3.4 LW5-LW6的密度泛函模拟计算70-71
  • 3.5 基于LW5-LW6的染料敏化太阳能电池的光伏性能71-73
  • 3.6 LW5-LW6的动力学研究73-75
  • 3.7 基于LW5-LW6的染料敏化太阳能电池的界面研究75-76
  • 3.8 本章小结76-78
  • 4 D-π-D-A结构的卟啉染料及其光伏应用78-96
  • 4.1 引言78-80
  • 4.2 实验部分80-85
  • 4.3 LW7-LW9的光谱及电化学性能85-88
  • 4.4 LW7-LW9的密度泛函模拟计算88-90
  • 4.5 基于LW7-W9的染料敏化太阳能电池的性能90-91
  • 4.6 LW7-LW9的动力学研究91-93
  • 4.7 基于LW7-LW9的染料敏化太阳能电池的界面研究93-94
  • 4.8 本章小结94-96
  • 5 以吡啶为吸附基团的卟啉的设计合成及其光伏应用96-110
  • 5.1 引言96-97
  • 5.2 实验部分97-101
  • 5.3 LW11-LW13的光谱与电化学性质101-104
  • 5.4 基于LW11-LW13的染料敏化太阳能电池的性能104-106
  • 5.5 LW11-LW13的动力学研究106-107
  • 5.6 基于LW11-13的染料敏化太阳能电池的界面研究107-108
  • 5.7 本章小结108-110
  • 6 支链对卟啉染料的影响及其光伏应用110-125
  • 6.1 引言110-112
  • 6.2 实验部分112-115
  • 6.3 LW14-LW16的光谱与电化学性质115-119
  • 6.4 LW14-LW16的密度泛函模拟计算119-120
  • 6.5 基于LW14-LW16的染料敏化太阳能电池的性能120-121
  • 6.6 LW14-LW16的动力学研究121-122
  • 6.7 基于LW14-LW16染料敏化太阳能电池的界面研究122-123
  • 6.8 本章小结123-125
  • 7 电子受体对芘共轭的卟啉的光电性能的影响125-138
  • 7.1 引言125-126
  • 7.2 实验部分126-129
  • 7.3 LW17-LW19的光谱及电化学性能129-132
  • 7.4 LW17-LW19的密度泛函模拟计算132-134
  • 7.5 LW17-LW19的染料敏化太阳能电池的性能134-135
  • 7.6 LW17-LW19的动力学研究135-136
  • 7.7 基于LW17-LW19的染料敏化太阳能电池的界面研究136-137
  • 7.8 本章小结137-138
  • 8 结论与展望138-142
  • 8.1 全文研究内容总结138-139
  • 8.2 主要创新点139-140
  • 8.3 研究展望140-142
  • 致谢142-143
  • 参考文献143-163
  • 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录163-164


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