新型光敏剂的合成及其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)作为一种新型第三代太阳能电池,由于制备工艺简单,制造成本低廉,受到研究者的广泛关注。光敏染料作为染料敏化太阳能电池的关键组成部分,对光电转换效率有着重要影响,因此开发新型光敏剂成为该领域的前沿课题。 为了开发新型、高效、高稳定性的光敏染料,本论文以噻吩为起始原料,经过溴化、硝化、还原、缩合合成了中间体G-0,之后再经过高效的Suzuki偶联反应和温和的水解反应得到了一种新型双通道染料G-1,利用1HNMR和MS对化合物的结构进行了表征。这是目前噻吩[3,4-b]吡嗪类结构首次被设计、合成并作为染料敏化太阳能电池光敏剂。通过紫外-可见光谱、荧光发射光谱、电化学循环伏安法等测试手段对化合物的光物理、电化学性质进行了研究。紫外-可见光谱研究发现,化合物G-1最大吸收波长随着溶剂极性增大发生蓝移。通过电化学循环伏安法并结合紫外-可见吸收光谱和荧光发射光谱,对化合物的HOMO、LUMO能级进行了计算,结果表明：合成的染料具有合适的能级,可以应用于DSC体系。 本文将合成的新型双通道染料G-1应用于DSC,研究了染料浸泡浓度和染料浸泡用溶剂对G-1敏化的太阳能电池性能的影响。不同染料浸泡浓度的研究结果表明,在浓度为0.2 mM时基于G-1的太阳能电池表现出最好的光电性能；不同染料浸泡用溶剂的研究结果显示,在THF/乙腈的混合溶剂中表现出最好的光电性能。在最优条件下,我们进一步研究了共吸附剂CDCA的加入对电池性能的影响,结果表明,加入CDCA后对电池光电转换效率影响不大。最终,在优化条件下,G-1敏化的太阳能电池最高效率达到了4.66%,展示了此类染料应用于DSC的巨大潜力。 为进一步拓宽光敏染料的吸收光谱,本论文还合成了四种不同取代基的硫代双烯镍近红外染料,通过HNMR、元素分析等对化合物的结构进行了确认,并对其光物理、电化学及热稳定性等进行了系统研究。紫外-可见-近红外吸收光谱测试结果表明,合成的硫代双烯镍配合物在700 nm-1100 nm都具有较强的吸收。通过对化合物的取代基效应及溶剂效应研究发现：供电子基团导致λmax红移,而吸电子基团则导致λmax蓝移,且λmax随着溶剂极性增加而增大。通过循环伏安法和差分脉冲伏安法测试对化合物的电化学性质进行了研究。此外,本文还通过密度泛函理论对化合物的HOMO和LUMO能级进行了计算。热失重测试研究表明,合成的化合物具有较好的热稳定性。最后,我们初步证实了硫代双烯镍近红外染料应用与DSC的可行性。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 近红外染料 噻吩吡嗪 硫代双烯 双通道染料
【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
• Abstract5-10
• 引言10-11
• 1 绪论11-16
• 1.1 前言11-12
• 1.2 可再生能源现状12-13
• 1.3 太阳能资源利用13-14
• 1.3.1 太阳能13
• 1.3.2 太阳能资源利用13-14
• 1.4 太阳能电池14-16
• 2 染料敏化太阳能电池16-32
• 2.1 引言16
• 2.2 染料敏化太阳能电池结构和工作原理16-18
• 2.3 染料敏化太阳能电池评价参数18-20
• 2.3.1 单色光光电转换效率IPCE18-19
• 2.3.2 短路电流和短路电流密度J_(sc)19
• 2.3.3 开路电V_(oc)19
• 2.3.4 填充因子FF19
• 2.3.5 光电转换效率η和J-V曲线19-20
• 2.4 光阳极纳米晶半导体薄膜20-21
• 2.5 电解质21
• 2.6 对电极21
• 2.7 敏化剂及其分类21-31
• 2.7.1 金属配合物染料22-24
• 2.7.2 有机染料24-31
• 2.8 目前染料敏化太阳能电池存在的问题31
• 2.9 本论文的选题依据31-32
• 3 双D双π双A染料的合成和表征32-39
• 3.1 引言32
• 3.2 化合物的合成和表征32-36
• 3.2.1 仪器与试剂32-33
• 3.2.2 重要中间体的合成33-35
• 3.2.3 G-0和G-1的合成35-36
• 3.3 化合物G-0的单晶解析36-38
• 3.4 小结38-39
• 4 双D双π双A染料的性质研究39-44
• 4.1 引言39
• 4.2 光物理、电化学性质测试方法39-40
• 4.2.1 紫外-可见光谱测试和荧光发射光谱测试39
• 4.2.2 电化学测试39-40
• 4.3 紫外可见光谱测试与荧光光谱测试40-41
• 4.4 电化学测试41-43
• 4.5 小节43-44
• 5 双通道染料敏化太阳能电池的光伏性能测试44-54
• 5.1 引言44
• 5.2 电池的组装方法44-45
• 5.2.1 试剂、材料和仪器44
• 5.2.2 DSC的组装44-45
• 5.3 染料敏化太阳能电池的光伏性能测试方法45-47
• 5.3.1 染料敏化太阳能电池的伏安曲线测试方法45-46
• 5.3.2 染料敏化太阳能电池光电流工作谱测试方法46-47
• 5.4 染料敏化太阳能电池光伏性能测试47-53
• 5.4.1 不同染料浓度对电池性能的影响47-49
• 5.4.2 染浴对电池性能的影响49-51
• 5.4.3 优化条件下CDCA对电池性能的影响51-53
• 5.5 小结53-54
• 6 硫代双烯镍近红外染料的合成和性能研究54-64
• 6.1 引言54
• 6.2 化合物的合成和表征54-58
• 6.2.1 仪器与试剂54-55
• 6.2.2 重要中间体的合成55-56
• 6.2.3 硫代双烯镍近红外染料的合成56-58
• 6.3 结果与讨论58-63
• 6.3.1 合成部分58
• 6.3.2 热失重分析58-59
• 6.3.3 红外谱图解析59
• 6.3.4 Uv-vis-NIR吸收光谱59-61
• 6.3.5 电化学性质61
• 6.3.6 密度泛函原理计算61-62
• 6.3.7 硫代双烯镍配合物在DSC中的应用62-63
• 6.4 小结63-64
• 结论64-65
• 参考文献65-71
• 附录A 重要化合物的MS谱图71-73
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况73-74
• 致谢74-75

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