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

【摘要】：染料敏化太阳能电池(DSC)作为一种太阳能的有效利用方式引起了全世界广泛的关注。在染料敏化太阳能电池中,光敏染料起到吸收太阳光并将电子注入到二氧化钛(Ti02)导带的作用,是DSC最重要的组成部分,对DSC的光电转换效率具有决定性的作用。纯有机光敏染料具有结构简单、易于合成与优化、成本低、效率高等诸多优点,近几年来得到了很快的发展。 本论文设计合成了两个新型的纯有机光敏染料用于DSC中。两个染料以长碳链苯胺为电子给体、间硝基苯甲腈为电子受体、以苯胺上的丙酸基侧链为嵌入基团,并通过不同的π-桥基相连。与传统的D-π-A(电子给体-π桥基-电子受体)型纯有机光敏染料(用氰丙烯基酸同时作为电子接受体和嵌入基团)相比,这些染料的嵌入基团与电子受体相分离,这样更易于通过调整分子结构来调节光敏染料的轨道能级和吸收光谱。利用高分辨质谱(HRMS)、核磁共振氢谱(1H NMR)对这些染料进行了结构表征。研究了这些染料的光物理和电化学性质,并将其应用于DSC中。 研究发现,用光敏染料进行Ti02膜的敏化时所用的溶剂的不同,光敏染料在Ti02上的吸收光谱不同,对电池性能也会产生较大的影响。本论文最终采用乙腈作为染浴溶剂。 在测试初期,由于电子不能由光敏染料注入Ti02导带或注入很少,导致电池几乎没有效率。经过一段时间的电流-电压(J-V)测试后,膜上的染料颜色由红色变为浅黄色,但是电池效率提高。由光敏染料的红外光谱和实验现象推测,在电解质的作用下,染料的-NO2基团可能与Ti02发生了键合,使电子能够顺利注入Ti02导带,从而电池效率大大提高。最终桥基为噻吩基团的光敏染料制作的太阳能电池获得了最好的电池性能,在模拟太阳光(AM 1.5,100mW/cm2)下,总的光电转换效率为0.93%,短路电流密度为1.92 mA/cm2,开路电压为0.62 V,填充因子0.78。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 有机光敏染料 侧链嵌入基团
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 引言8-10
• 1 文献综述10-31
• 1.1 能源及太阳能电池10-13
• 1.1.1 能源10-12
• 1.1.2 太阳能电池12-13
• 1.2 染料敏化太阳能电池13-18
• 1.2.1 电池的结构和工作原理13-16
• 1.2.2 描述DSC电池性能的主要参数及J-V曲线16-18
• 1.3 光敏染料18-30
• 1.3.1 光敏染料的特点18-20
• 1.3.2 光敏染料与纳米TiO_2表面的相互作用20
• 1.3.3 光敏染料的研究现状20-30
• 1.4 选题背景和依据30-31
• 2 染料的设计、合成与表征31-41
• 2.1 仪器与试剂31-33
• 2.1.1 实验药品31-32
• 2.1.2 实验仪器32-33
• 2.2 试剂的处理33
• 2.2.1 分子筛的活化33
• 2.2.2 N,N-二甲基甲酰胺(DMF)的纯化33
• 2.2.3 四氢呋喃(THF)的纯化33
• 2.3 目标化合物的设计、合成与表征33-41
• 2.3.1 分子结构设计34
• 2.3.2 光敏染料合成路线34-36
• 2.3.3 光敏染料的合成与表征36-41
• 3 光敏染料的性能测试与电池的组装、测试41-46
• 3.1 光敏染料的光物理、电化学性能测试41-42
• 3.1.1 紫外-可见吸收光谱测试41-42
• 3.1.2 电化学性能测试42
• 3.1.3 红外光谱测试42
• 3.2 太阳能电池的组装42-44
• 3.2.1 材料与仪器42-43
• 3.2.2 TiCl_4水溶液的制备43
• 3.2.3 导电玻璃的预处理43
• 3.2.4 纳米多孔TiO_2薄膜的制备43-44
• 3.2.5 纳米多孔TiO_2薄膜的敏化44
• 3.2.6 对电极的制备44
• 3.2.7 电池的最后组装44
• 3.3 太阳能电池的测试44-46
• 3.3.1 电池的光电转换性能测试44-45
• 3.3.2 电池光电流工作谱的测定45-46
• 4 结果与讨论46-58
• 4.1 光敏染料的合成46
• 4.2 紫外-可见吸收光谱46-50
• 4.3 电化学性质50-52
• 4.4 密度泛函理论计算52-53
• 4.5 傅立叶红外光谱53-54
• 4.6 电池的光电转换性能54-56
• 4.7 电池的单色光电转换效率56-58
• 结论58-59
• 参考文献59-65
• 附录1 质谱谱图65-68
• 附录2 核磁谱图68-72
• 附录3 符号及试剂缩写72-74
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况74-75
• 致谢75-76

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