咔唑类染料敏化剂的合成及在太阳能电池中的应用研究

【摘要】：染料敏化剂在染料敏化太阳能电池(DSSC)中主要起光电转化的作用,是染料敏化太阳能电池的核心部件之一。纯有机染料敏化剂由于其自身特点的原因,已经逐渐成为染料敏化太阳能电池敏化剂的首选。寻找转化效率高且合成方法简单、成本低廉的纯有机染料敏化剂成为人们研究工作的重点。 通过阅读大量的参考文献,结合前人的研究成果和合成方法,本论文设计合成了七个咔唑类染料敏化剂。以N-乙基咔唑作为供电子基团,氰基乙酸为拉电子基团,通过变换不同的Π桥键来合成。所有染料均通过核磁共振氢谱,质谱和红外吸收光谱对其结构进行表征。对所有光敏染料进行了光物理和电化学性质测试,并将其制作成染料敏化太阳能电池器件,系统的研究了染料的光伏性能。另外,还对所有染料分子进行了密度泛函理论方面的理论计算研究。 染料分子的光物理和电化学性质与其结构密切相关。通过变换不同的Π桥键,可以改变染料的吸收光谱范围。实验数据表明,染料分子的共轭性和共平面性会影响其光物理性质和分子内电子传输能力。染料分子的空间位阻越大,其分子的共平面性就越差,导致使染料分子吸收光谱发生蓝移,使电池器件的光电转化效率下降。通过密度泛函理论计算出所有染料分子的HOMO和LUMO能级同时满足了染料激发态电子向TiO2导带注入和染料再生的能级要求。 对这七种染料敏化剂进行电化学性质和光伏特性的测试,从电化学和光伏特性的测试结果分析得出这一系列染料的光电转化效率和结构变化的关系；结合其紫外吸收光谱数据,分析得出了染料分子结构和紫外吸收波长的关系。在电池器件制作条件未经过优化的情况下进行测试的,其中染料Ⅴ、Ⅵ和Ⅶ的光电转化效率依次为2.03%、4.18%和2.74%.若将其制备条件加以优化,其光电转化效率有可能提高至5%-6%左右。 【关键词】：染料敏化剂 染料敏化太阳能电池 N-乙基咔唑 光电转化效率
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 目录7-10
• 引言10-12
• 1 绪论12-36
• 1.1 前言12
• 1.2 染料敏化太阳能电池(DSSC)的结构和工作原理12-15
• 1.3 太阳能电池性能的衡量参数15-16
• 1.3.1 衡量太阳能电池的参数15-16
• 1.3.2 光伏曲线(J-V曲线)16
• 1.4 太阳能电池的工作电极和对电极16-18
• 1.4.1 太阳能电池的工作电极17
• 1.4.2 太阳能电池的对电极17-18
• 1.5 染料敏化剂分子的种类18-34
• 1.5.1 无机金属配合物染料敏化剂18-22
• 1.5.2 非金属纯有机染料敏化剂22-34
• 1.6 影响纯有机DSSC性能的因素34-35
• 1.7 选题背景和分子设计35-36
• 2 咔唑类染料敏化剂的合成与表征36-50
• 2.1 合成路线的设计36-40
• 2.1.1 化合物Ⅰ的合成路线37
• 2.1.2 化合物Ⅱ的合成路线37
• 2.1.3 化合物Ⅲ的合成路线37-38
• 2.1.4 化合物Ⅳ的合成路线38
• 2.1.5 化合物Ⅴ的合成路线38-39
• 2.1.6 化合物Ⅵ的合成路线39
• 2.1.7 化合物Ⅶ的合成路线39-40
• 2.2 实验所用仪器与试剂40
• 2.3 实验合成部分40-50
• 2.3.1 N-乙基咔唑的合成40
• 2.3.2 N-正丁基咔唑的合成40-41
• 2.3.3 N-肉桂基咔唑的合成41
• 2.3.4 3-溴-N-乙基咔唑的合成41-42
• 2.3.5 3-醛N-乙基咔唑的合成42
• 2.3.6 3-醛N-正丁基咔唑的合成42-43
• 2.3.7 3-醛N-肉桂基咔唑的合成43
• 2.3.8 3-醛-6-溴N-乙基咔唑的合成43-44
• 2.3.9 3-醛-6-碘N-丁基咔唑的合成44
• 2.3.10 中间体1的合成44
• 2.3.11 中间体2的合成44-45
• 2.3.12 3-硼酸-N-乙基咔唑的合成45
• 2.3.13 中间体3的合成45-46
• 2.3.14 中间体4的合成46
• 2.3.15 中间体5的合成46-47
• 2.3.16 中间体6的合成47
• 2.3.17 中间体7的合成47-48
• 2.3.18 化合物Ⅰ的合成48
• 2.3.19 化合物Ⅱ的合成48
• 2.3.20 化合物Ⅲ的合成48-49
• 2.3.21 化合物Ⅳ的合成49
• 2.3.22 化合物Ⅴ的合成49-50
• 2.3.23 化合物Ⅵ的合成50
• 2.3.24 化合物Ⅶ的合成50
• 3 结果与讨论50-68
• 3.1 染料的紫外可见吸收光谱(UV-vis)50-53
• 3.2 电化学性质测试53-59
• 3.3 电池的组装与光伏性能的测试59-65
• 3.3.1 染料敏化太阳能电池器件制备59-61
• 3.3.2 染料Ⅰ-Ⅶ的光伏性能61-65
• 3.4 密度泛函理论的计算65-68
• 4 结论68-69
• 5 参考文献69-77
• 附录一77-89
• 附录二89-93
• 个人简历93-94
• 致谢94

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