带有侧链镶嵌基团的有机近红外光敏染料用于染料敏化太阳能电池的研究

【摘要】：染料敏化太阳能电池由于具有较高的光电转换效率和较低的成本已经引起了科学家很大的兴趣。大多数有机光敏染料分子都是Donor-πSpacer-Acceptor(D-π-A)类型,D-π-A类型光敏染料具有摩尔消光系数高、分子结构易于设计和合成等优点,因此引起了众多研究者利用这类染料作为光敏染料的兴趣。但是目前所报导的所有的D-π-A有机光敏染料,主要有两个方面的弊端：一是很难设计出吸收光谱区域达到近红外区域的有机染料分子；二是难以实现使染料分子的吸附基团与电子受体相分离的设计。 到目前为止,已经报导过几种近红外染料,例如芳菁类染料和花染料,但大多数被报导的近红外染料都有一个主要的缺点,就是很难通过调节分子结构来显著提高电池的光电性能。因此合成D-π-A类型的有机近红外光敏染料是我们理想的选择。但是大多数的D-π-A有机光敏染料都以氰乙烯基乙酸作为电子受体和吸附基团,光谱吸收主要在紫外可见区域。由于电子受体与吸附基团为同一基团,这样想要通过改变电子接受体和吸附基团来调节染料的HOMO-LUMO能级,从而使染料的吸收光谱拓宽到近红外区域是非常困难的。 本论文设计合成了18个新型的带有侧链镶嵌基团的有机近红外光敏染料和4个参比染料,这一系列新型的侧链染料都是D-π-A型的,电子供体为不同取代的四氢喹啉,以不同长度的柔性侧链羧酸作为作用于半导体表面的吸附基团,而电子受体是含多个氰基的几种强吸电子基团,以不同的π-桥基相连的电子推拉型光敏染料。相比传统的D-π-A型有机光敏染料(用氰乙烯基乙酸同时作为电子接受体和吸附基团),这些染料的吸附基团与电子受体部分得到了分离,这样就更易于通过调节分子结构来调节光敏染料的轨道能级和光谱吸收。利用质谱、核磁共振氢谱等表征手段,我们对这些化合物进行结构表征。 光敏染料的结构对其光物理、电化学性质有着重要的影响。用吸电子能力更强的多氰基基团来代替传统的吸电子基团(氰乙烯基乙酸)作为电子注入基团,同时将侧链羧酸作为染料的吸附基团,这样能增强D-π-A体系的电子推拉作用,可以更好地将染料的吸收光谱拓宽到近红外区域,增强染料对光的捕捉能力。本论文所设计合成的染料的HOMO和LUMO能级同时满足了被激发的电子有效地注入Ti02导带中,同时失去电子后的氧化态染料分子能够从电解质中得到电子而还原再生。 我们发现通过改变染料的吸电子基团和侧链羧酸的柔性链长度,能够改变染料分子的空间结构,调节DSCs的电荷转移产率、IPCE值和光电转换效率。在染料的供电子基中增加柔性的长碳链显著地提高电池的开路电压,原因可能是分子中长碳链的引入抑制了分子在Ti02表面聚集而产生的暗电流。在染料的π-桥基中引入噻吩基、长碳链噻吩基或3,4-乙烯基二氧噻吩(EDOT)结构单元,吸收光谱区域拓宽到了1000 nm左右,这说明染料分子结构共轭体系的增大,很大程度地增强了染料分子对太阳光的吸收能力,经过优化条件测试,HY113染料敏化的太阳能电池在获得了最好的光电转换性能,在模拟标准太阳光(AM 1.5,100 mW/cm2)下,总的光电转换效率可达5.1%,短路电流密度为13.35 mA/cm2,开路电压为519 mV,填充因子0.73。这是目前所报道的光电转换效率最高的近红外光敏染料。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 光敏染料 近红外染料 D-π-A 侧链
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 引言11-13
• 1 太阳能电池的研究背景及发展13-17
• 1.1 前言13-14
• 1.2 太阳能概论14-16
• 1.2.1 太阳与太阳能14
• 1.2.2 太阳常数和大气质量数14-15
• 1.2.3 中国的太阳能资源15-16
• 1.2.4 太阳能利用的途径16
• 1.3 太阳能电池的分类16-17
• 2 染料敏化太阳能电池17-39
• 2.1 引言17
• 2.2 染料敏化太阳能电池的结构和工作原理17-19
• 2.3 衡量太阳能电池性能的参数19-22
• 2.3.1 单色光光电转换效率(IPCE)19-20
• 2.3.2 短路电流密度(J_(SC))20-21
• 2.3.3 开路电压(V_(OC))21
• 2.3.4 总的光电转换效率(η)21
• 2.3.5 光电流密度-光电压曲线(J-V)21-22
• 2.4 纳米半导体多孔电极22-23
• 2.5 光敏染料23-38
• 2.5.1 光敏染料与纳米TiO_2表面的相互作用23-24
• 2.5.2 光敏染料的种类24-38
• 2.6 展望38
• 2.7 选题依据38-39
• 3 新型带有侧链镶嵌基团的有机近红外光敏染料的设计,合成与表征39-72
• 3.1 引言39
• 3.2 仪器与试剂39-40
• 3.3 新型的带有侧链镶嵌基团的有机近红外光敏染料的设计40-44
• 3.3.1 用于研究侧链作用机理的光敏染料的设计40-42
• 3.3.2 用于改进开路电压的光敏染料的设计42-43
• 3.3.3 用于拓宽吸收光谱的光敏染料的设计43-44
• 3.4 侧链近红外光敏染料的合成与表征44-71
• 3.4.1 吸电子基和不同侧链长度的四氢喹啉中间体的合成44-54
• 3.4.2 不同侧链长度的己基四氢喹啉中间体的合成54-57
• 3.4.3 不同的桥基中间体的合成57
• 3.4.4 单溴取代的四氢喹啉中间体的合成57-58
• 3.4.5 四氢喹啉中间体与桥基的缩合反应58-61
• 3.4.6 单甲酰基取代中间体的合成61-62
• 3.4.7 无侧链的四氢喹啉中间体的合成62-63
• 3.4.8 染料的合成63-71
• 3.5 本章小结71-72
• 4 电池的组装、测试与光敏染料性质的测试方法72-77
• 4.1 引言72
• 4.2 电池的组装与测试方法72-75
• 4.2.1 试剂、材料与仪器72
• 4.2.2 染料敏化太阳能电池的组装72-74
• 4.2.3 染料敏化太阳能电池的测试74-75
• 4.3 光敏染料光物理、电化学性质测试方法75-76
• 4.3.1 紫外可见吸收光谱和荧光发射光谱测试75
• 4.3.2 电化学性质测试75
• 4.3.3 电化学阻抗测试75
• 4.3.4 染料在二氧化钛膜表面的吸附量75-76
• 4.4 本章小结76-77
• 5 新型侧链光敏染料的光物理、电化学性质以及电池的光电转换性能研究77-92
• 5.1 引言77
• 5.2 紫外可见吸收光谱77-80
• 5.3 电化学性质80-83
• 5.4 密度泛函理论计算83-85
• 5.5 太阳能电池的光电转换性能85-89
• 5.6 电化学阻抗谱89-90
• 5.7 本章小结90-92
• 6 用于提高光电压的侧链光敏染料的光物理、电化学性质以及光电转换性能研究92-101
• 6.1 引言92
• 6.2 紫外可见吸收光谱92-94
• 6.3 电化学性质94-95
• 6.4 密度泛函理论计算95-96
• 6.5 太阳能电池的光电转换性能96-98
• 6.6 电化学阻抗测试98-99
• 6.7 吸附量测试99-100
• 6.8 本章小结100-101
• 7 用于拓宽吸收光谱的侧链光敏染料的光物理、电化学性质以及光电性能研究101-111
• 7.1 引言101
• 7.2 紫外可见吸收光谱101-104
• 7.3 电化学性质104-105
• 7.4 密度泛函理论计算105-106
• 7.5 太阳能电池的的光电转换性能106-109
• 7.6 电化学阻抗谱109-110
• 7.7 本章小结110-111
• 结论111-113
• 参考文献113-120
• 附录1 名词缩写诠释120-122
• 附录2 目标化合物和参比化合物的结构及名称122-124
• 创新点摘要124-125
• 作者简介125
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况125-127
• 致谢127-128

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

染料敏化太阳能电池中的光电极制备技术    唐笑;钱觉时;黄佳木;

染料敏化太阳能电池中的敏化剂    梁茂,陶占良,陈军

生物燃料进展研究    闫强;王安建;王高尚;于汶加;陈其慎;

十通道VCD/DVD激光读取头用PDIC的研制    李挥;张政操;安杰;胡海军;马建设;程雪岷;林家用;

梯度掺杂对太阳能电池转换效率的影响    王爱坤,周国香,杨韧,李国昌

In_(1-x)Ga_xAs_yP_(1-y)/GaAs组分x和y间约束关系及应用    王建峰,牛南辉,盖红星,李冰,韩军,徐遵图,沈光地

InP基PHEMT欧姆接触低温合金化工艺的研究    李潇,张海英,李海鸥,尹军舰,刘亮,陈立强

功率场效应晶体管晶圆超薄磨片工艺开发    彭双清;

Si基JBS整流二极管的设计与制备    王朝林;王一帆;岳红菊;刘肃;

共振隧穿二极管(RTD)的物理模型——共振隧穿器件讲座(3)    郭维廉;

微纳级双极晶体管的热耗散研究    侯志刚;李惠军;许新新;

结温可控的晶体管稳态工作寿命试验方法研究    李霁红,贾颖,康锐,张德骏

二种新型电源的应用需求分析    高英倩;廉志彪;王向伟;赵卫民;

一种抗辐射加固隔离反馈发生器的研制    江军;雷昕;赵璐;曾莉;

太阳电池组件阴影遮挡问题实验研究    张臻;沈辉;朱家劲;蔡睿贤;

球磨法制备氧化锆-硬脂酸系相变储能材料的研究    高喆;艾德生;赵昆;戴遐明;

新能源材料基础与发展简述    赵昆;艾德生;高喆;邓长生;戴遐明;

淀粉/纤维素类生物质发酵联产氢气和甲烷的机理研究    谢斌飞

可再生能源发电政策与环境效益分析方法研究    秦湘灵

高性能染料敏化太阳能电池的制备与研究    李晓冬

氧化钆掺杂对氧化铪高K栅介质氧空位抑制作用及电学性能研究    季梅

多输入直流变换器电路拓扑及控制策略研究    李艳

冲击电压下半导体材料表面闪络现象与机理的研究    赵文彬

DMFC和DSSC的化学增强与光辅助增强催化    王耀琼

纤维素快速热解机理的分子模拟研究    黄金保

氧化锌单晶及激光辐照氧化锌单晶的光谱学研究    刘洁

分布式风光互补系统控制与最大功率跟踪策略研究    刘立群

敏化太阳能电池中染料的合成研究    徐丹

染料敏化太阳能电池电极改性研究    石德晖

含三苯胺、噁二唑聚噻吩衍生物和双给体有机染料的合成及光伏性能研究    陈华杰

半导体材料改性与染料敏化太阳能电池组装与性能测试    张坤峰

闪存低温失效分析及不良筛选    范娅玲

咔唑类染料敏化太阳能电池制备研究    王忠原

多孔二氧化钛薄膜的制备及性能研究    周亭

三苯胺类染料分子的设计合成及其光伏性能研究    张璐

双馈型变速恒频风力发电机转子侧变流器控制技术研究    徐凤星

HIT太阳电池硅片处理及复合透明导电膜的研究    王淑珍

温度对不同电解质的大面积DSCs电池性能的影响    戴松元,陈双宏,肖尚锋,史成武,黄阳,孔凡太,胡林华,潘旭,翁坚,郭力,王孔嘉

TiO_2薄膜的制备方法及其对染料敏化太阳电池性能的影响    蓝鼎,罗欣莲,万发荣,龙毅

染料敏化纳米薄膜太阳电池中DMPII浓度的优化    史成武,戴松元,王孔嘉,郭力,潘旭,孔凡太,胡林华

纳米晶体太阳能电池及染料敏化剂    孙世国,徐勇前,时磊,彭孝军,孙立成

染料敏化纳米晶体光电池    孙世国,徐勇前,时磊,彭孝军,孙立成

循环伏安法测定光敏染料的半波电位    张成路,冯建国,王兰英,王耀

吸电子基团修饰的三联噻吩及其对纳晶TiO2电极的敏化    张雪华;李超;王维波;程学新;王雪松;张宝文;

染料敏化太阳能电池用敏化剂    李祥高;吕海军;王世荣;郭俊杰;李靖;

光电转换中敏化剂的光增感效应    柳闽生,帅敏,陈军

太阳能电池用联吡啶铼光敏染料研究    孙世国,彭孝军,徐勇前,时磊,孙立成

采集太阳能(下)——基础化学推进新型低成本太阳能电池的开发    高彤;

染料敏化纳米晶太阳能电池中敏化剂的研究进展    李靖;李祥高;王世荣;

用于染料敏化太阳能电池的苊并吡嗪类染料的合成    杨翠翠;孔志霞;崔京南;

杯[4]芳烃染料的设计合成及在染料敏化太阳能电池的应用    谭礼林;刘军民;苏成勇;

新型卟啉类光敏染料的合成及其在染料敏化太阳能电池中的应用研究    万中全;贾春阳;张家强;

铼联吡啶光敏染料性能的研究    孙世国;彭孝军;徐勇前;凡明文;时磊;孙立成;

有机染料锚数对染料敏化太阳能电池性能的影响    尚会霞;罗艳红;孟庆波;占肖卫;

两种新型苄叉环戊酮光敏染料的合成及性质研究    薛建强;赵榆霞;吴飞鹏;

具有大双光子吸收截面的香豆素酮类光敏染料的合成及其性质研究    赵榆霞;李雪;吴飞鹏;

新型香豆素类染料与碘鎓盐复合光敏引发体系的研究    薛建强;赵榆霞;吴飞鹏;

太阳能电池表面纳米微结构研究    李美成;

锌卟啉敏化太阳能电池性能:从头算非绝热动力学研究    王晶辉;何荣幸;齐丹;

量子点敏化太阳能电池研究进展    刘铭;杨君友;冯双龙;朱虎;

提高太阳能电池效率有新法    记者 毛黎

天津铜铟镓硒太阳能电池组件制成    耀文

河北晶龙太阳能电池三期工程奠基    段同刚　王丽英

中小太阳能浆料企业艰难突围    实习记者 徐生权　孙文昀 本报记者 王峻峰

将液晶制造设备应用于薄膜电池有助于降低生产线投资    哈尔滨克罗拉太阳能电力有限公司副总经理 李瑞武

染料敏化太阳能电池将用于无人机    王小龙

赛维LDK太阳能电池工程首期投产    记者 姜小毛　通讯员 廖淑艳

赛维LDK首期太阳能电池生产线投产    记者 徐国平　通讯员 廖淑艳

M13病毒可将太阳能电池效率提高三成    王小龙

晶龙模式：让创新“跑赢”市场    段同刚　撰稿

带有侧链镶嵌基团的有机近红外光敏染料用于染料敏化太阳能电池的研究    郝艳

新型吡啶内盐有机光敏染料的分子设计、合成、表征及其性质研究    单益凡

芳胺染料在溴（碘）基染料敏化太阳能电池中的应用    滕超

铼、钌联吡啶光敏染料的研究    孙世国

四氢喹啉类光敏染料用于染料敏化太阳能电池的研究    陈瑞奎

抑制染料聚集优化染料敏化太阳能电池器件的研究    李晶

改性纳米TiO_2及硫电解液用于敏化太阳能电池的研究    李玲

新型有机染料的设计、合成及其在染料敏化太阳电池和化学敏感器中的应用研究    张雪华

新型可溶液加工有机小分子材料的设计合成及光伏性能    李在房

量子点敏化太阳能电池：制备及光电转换性能的改进    宋鑫

含侧链吸附基团的光敏染料在染料敏化太阳能电池中的应用    赵金霞

双D-π-A型光敏染料的合成及其在染料敏化太阳能电池中的应用    彭锦安

以吡啶为π-桥的三苯胺类光敏染料的合成及其性能研究    闫波

新型D-π-A结构光敏染料的合成及性能研究    庞茂印

新型受体基团有机光敏染料的合成及性能研究    刘腾

侧链近红外有机光敏染料用于染料敏化太阳能电池的研究    周美珍

应用于染料敏化太阳能电池芳胺类染料的设计与合成    杨翠翠

含有新型Ⅱ桥的光敏染料的合成与应用    张兆辉

芳胺类纯有机染料的设计合成及应用研究    胡春田

有机给受体光敏染料的合成与表征    司晓影