以马来酸酐、喹噁啉和吡啶-N-氧化物为镶嵌基团的光敏剂在染料敏化太阳能电池中的应用

【摘要】：作为染料敏化太阳能电池的重要组成部分,设计合成新的光敏剂对提高电池光电转换效率有重要的意义。与传统的金属配合物光敏剂相比,纯有机光敏剂具有合成简单、摩尔消光系数较高且结构易于调整等优点。大多数纯有机光敏剂都具有D-π-A结构,相对于电子供体的多样性,作为吸电子和镶嵌基团的电子受体的研究较少。传统的镶嵌基团主要是羧酸、氰基丙烯酸、膦酸、磺酸等酸性基团。 本论文中首先将吸电子能力更强的马来酸酐作为镶嵌基团合成了染料WA-1和WA-2,染料紫外可见吸收光谱有效拓宽到700nm。将染料组装电池并进行电池性能测试,由于酸酐在吸附过程中开环,染料的膜上吸收光谱发生了约150nm的蓝移,短路电流密度较低,WA-2获得了3.60%的效率。 第二类纯有机光敏剂的电子注入效率较高且能量损失较少,但已发表的染料结构光谱较窄,效率较低。以喹嗯啉-2,3-二醇为镶嵌基团设计合成了WQ-1和WQ-2,结构中杂环增强了吸电子能力,染料的最大吸收峰有所红移。通过FTIR测试和参比染料确定染料吸附方式为羟基吸附。与CDCA共敏化组装电池,WQ-2获得了2.25%的效率。 实验证明吡啶鎓离子作为电子受体可有效拓宽光敏剂的紫外可见吸收光谱,提高电池的光电转换效率。本论文中将吡啶-N-氧化物作为镶嵌基团引入染料结构中,合成了WL101-WL103三种光敏染料,其中WL102获得了3.72%的光电转换效率,IPCE峰值达到了95%。经过初步结构优化,合成了WL201-WL204,其中WL202的光电转换效率提高到3.86%。FTIR测试结果确定染料是通过吡啶-N-氧化物与Ti02表面的Br(?)nsted酸位点键合吸附的。 引入苯并噻二唑作为桥基合成了具有D-A-A结构特点的氧化吡啶染料WL301WL305,有效地拓宽了染料的紫外可见吸收光谱,供电子部分引入异辛烷氧基的WL305获得了6.08%的光电转换效率,并在300-800nm范围内得到了较好的IPCE响应值。该系列染料表现了较好的稳定性,且红外测试表明吸电子桥基的引入没有影响其吸附性能。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 马来酸酐 喹嗯啉 吡啶-N-氧化物
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O621.13;TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-12
• 图目录12-14
• 表目录14-15
• 主要符号表15-16
• 1 绪论16-41
• 1.1 太阳能与太阳能电池16-22
• 1.1.1 太阳能简介18-21
• 1.1.2 太阳能电池的发展21-22
• 1.2 染料敏化太阳能电池22-39
• 1.2.1 染料敏化太阳能电池的工作原理23-25
• 1.2.2 染料敏化太阳能电池的性能参数25-26
• 1.2.3 光阳极材料26-27
• 1.2.4 光敏剂27-38
• 1.2.5 电解质38-39
• 1.2.6 对电极材料39
• 1.3 选题依据及意义39-41
• 2 光敏染料的制备及测试方法41-66
• 2.1 酸酐类光敏剂的制备41-44
• 2.1.1 仪器与试剂41
• 2.1.2 染料WA-1和WA-2的合成路线41-44
• 2.2 喹噁啉类光敏染料的制备44-49
• 2.2.1 喹噁啉类光敏染料的结构44-45
• 2.2.2 喹噁啉染料WQ-1和WQ-2的合成与表征45-49
• 2.3 氧化吡啶类光敏染料的制备49-57
• 2.3.1 氧化吡啶类光敏染料的结构49
• 2.3.2 氧化吡啶光敏染料WL101-R-WL204的合成与表征49-57
• 2.4 D-A-A型氧化吡啶染料WL301-WL305的制备57-62
• 2.4.1 染料WL301-WL305的结构57
• 2.4.2 染料WL301-WL305的合成与表征57-62
• 2.5 光敏染料光电性质、电池组装和性能测试方法62-64
• 2.5.1 光电性质测试方法62-63
• 2.5.2 电池的组装和性能测试方法63-64
• 2.6 本章小结64-66
• 3 酸酐类光敏染料的测试与电池性能研究66-73
• 3.1 引言66
• 3.2 光敏染料WA-1和WA-2的光电性质数据66-70
• 3.2.1 WA-1和WA-2紫外可见吸收光谱66-68
• 3.2.2 WA-1和WA-2的电化学测试68-69
• 3.2.3 WA-1和WA-2的密度泛函理论计算69-70
• 3.3 WA-1和WA-2的光电转换性能70-72
• 3.3.1 WA-1和WA-2电池效率和IPCE测试 #70-71
• 3.3.2 WA-1和WA-2的电化学阻抗测试71-72
• 3.4 本章小结72-73
• 4 喹噁啉类光敏染料的性质和电池性能研究73-82
• 4.1 引言73
• 4.2 喹噁啉染料的光电化学性质73-77
• 4.2.1 WQ-1和WQ-2紫外可见吸收光谱73-75
• 4.2.2 WQ-1和WQ-2电化学测试75-76
• 4.2.3 WQ-1和WQ-2的量子化学计算76-77
• 4.3 WQ-1和WQ-2的光伏性能测试77-79
• 4.3.1 WQ-1和WQ-2的电池效率和IPCE测试77-78
• 4.3.2 WQ-1和WQ-2的阻抗测试78-79
• 4.4 WQ-1和WQ-2的红外光谱79-81
• 4.5 本章小结81-82
• 5 氧化吡啶类光敏染料的性质和电池性能研究82-94
• 5.1 引言82
• 5.2 氧化吡啶类光敏染料的光电化学性质82-87
• 5.2.1 WL系列染料的紫外可见吸收测试82-84
• 5.2.2 WL系列染料的电化学测试84-86
• 5.2.3 WL系列染料的量子化学计算86-87
• 5.3 WL系列染料的电池光伏性能的研究87-91
• 5.3.1 WL系列染料的光电转换效率和IPCE测试87-90
• 5.3.2 WL系列染料的电化学阻抗测试90-91
• 5.4 WL系列染料的红外光谱91-92
• 5.5 本章小结92-94
• 6 D-A-A型氧化吡啶类光敏染料的测试和电池性能研究94-105
• 6.1 引言94
• 6.2 染料WL301-WL305的光电化学性质94-98
• 6.2.1 WL301-WL305的紫外可见吸收光谱94-95
• 6.2.2 WL301-WL305的电化学测试95-96
• 6.2.3 WL301-WL305的量子化学计算96-98
• 6.3 WL301-WL305的电池的光伏性能研究98-103
• 6.3.1 WL301-WL305的光电转换效率和IPCE测试98-100
• 6.3.2 WL301-WL305的电池稳定性测试100-101
• 6.3.3 WL301-WL305的阻抗测试101-102
• 6.3.4 WL301-WL305的红外测试102-103
• 6.4 本章小结103-105
• 7 结论与展望105-108
• 7.1 结论105-106
• 7.2 创新点摘要106
• 7.3 展望106-108
• 参考文献108-117
• 附录A 缩略词117-118
• 致谢118-119
• 作者简介119
• 攻读博士学位期间科研项目及科研成果119

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