中位供电基团对卟啉类染料敏化剂光伏性能影响的研究

【摘要】：本论文主要研究不同供电基团对染料光电性能的影响，设计了基于咔唑基团氮原子上引入不同正丁基、正己基和正癸基的CZ系列染料和基于不同刚性二芳胺基团的卟啉染料，并应用到染料敏化太阳能电池中，测试其光伏性能。 以咔唑为原料，将咔唑氮原子分别连结不同正构烷烃，再通过Vilsmeier试剂将咔唑的一个苯环对位进行甲酰化得到9H-咔唑-3-甲醛。通过MacDonald [2+2]法合成卟啉自由碱、再经灌金属反应、水解反应，得到三个CZ卟啉染料。目标产物和中间产物均经过质谱、1H-NMR表征，并对目标染料分子的光学性能、电化学性能以及光电转换性能进行了研究测试。由于三个CZ染料分子结构非常类似，仅取代烷基链长度有所差别，其紫外-可见吸收光谱和稳态荧光光谱也比较相似。CZ-10由于其烷基链最长，能够有效抑制电子向电解质回传，降低电子复合速率，防止暗电流产生，其电子寿命最长且开路电压VOC最大。但由于其空间位阻过大导致染料吸附量太低，染料捕获的光能量最少，产生的光生电子最少，其短路电流JSC最低。实验结果表明用于防聚集的正己基链由于长度合适，比正丁基能更好地防止电子回传，比空间位阻更大的正癸基在TiO2表面的染料吸附量大，因此CZ-6染料的光电转换效率最高（2.13%）。 以苯基二吡咯烷、原甲酸三甲酯和对氰基苯甲醛为原料，通过MacDonald[2+2]法合成卟啉自由碱，再经NBS溴化和灌金属反应、Buchwald-Hartwig碳氮偶联反应、还原反应以及Knoevenagel缩合反应，得到三个卟啉染料。目标产物和中间产物均经过质谱、1H-NMR表征，并对目标染料分子的光学性能、电化学性能以及光电转换性能进行了研究测试。DPA-CN-COOH、IDB-CN-COOH和ISB-CN-COOH紫外-可见吸收峰形类似。通过DFT计算，三个染料上氮原子的福井函数分别为0.8267，0.8955和-0.6684，染料ISB-CN-COOH的福井函数值与其他染料相反，说明其供电基团上的氮原子没有表现出亲核性，光电转换效率最差（2.62%）。由于福井函数值最大，染料IDB-CN-COOH亲核性和供电子能力最强，从而有利于电子传输进程和电荷分离态的稳定性。染料IDB-CN-COOH的光电转换效率达到了N719染料光电转换效率(η=6.02%)的87%，表明IDB-CN-COOH作为染料敏化剂具有很好的应用前景。 【关键词】：卟啉 中位取代基 烷基链 福井函数 染料敏化太阳能电池
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 第一章 文献综述8-24
• 引言8
• 1.1 染料敏化太阳能电池简介8-11
• 1.1.1 染料敏化太阳能电池基本结构及原理8-9
• 1.1.2 染料敏化剂简介9-11
• 1.2 卟啉及其衍生物在 DSSCs 中的应用11-21
• 1.2.1 卟啉简介11
• 1.2.2 卟啉及其衍生物作为染料敏化剂的优点11-12
• 1.2.3 卟啉染料应用到 DSSCs 的研究进展12-18
• 1.2.4 中位供电基团对卟啉染料光伏性能影响的研究进展18-21
• 1.3 课题来源及意义21-22
• 1.4 研究思路及研究内容22
• 1.5 论文创新点22-24
• 第二章 不同烷基链咔唑作为供电基团的卟啉类染料的合成及光电性能研究24-46
• 引言24-25
• 2.1 实验部分25-32
• 2.1.1 主要原料、试剂及实验仪器25-26
• 2.1.2 不同烷基链咔唑作为供电基团的卟啉类染料的合成26-30
• 2.1.3 表征及测试方法30-32
• 2.2 结果与讨论32-45
• 2.2.1 化合物 2 的结构表征32-33
• 2.2.2 化合物 3 的结构表征33-34
• 2.2.3 化合物 4 的结构表征34-35
• 2.2.4 化合物 CZ-4 的结构表征35-36
• 2.2.5 三个 CZ 染料的光学性能研究36-39
• 2.2.6 三个 CZ 染料的循环伏安性能分析39-42
• 2.2.7 三个 CZ 染料光电转换性能的研究42-44
• 2.2.8 三个 CZ 染料交流阻抗性能的研究44-45
• 2.3 本章小结45-46
• 第三章 不同二芳胺作为供电基团的卟啉类染料的合成及光电性能研究46-71
• 引言46-47
• 3.1 实验部分47-54
• 3.1.1 主要原料、试剂及实验仪器47-48
• 3.1.2 不同二芳胺做为供电基团的卟啉染料的合成48-52
• 3.1.3 表征及测试方法52-54
• 3.2 结果与讨论54-69
• 3.2.1 5,15-二苯基-10-对氰基苯基卟啉锌（1）结构表征54-55
• 3.2.2 5,15-二苯基-10-溴-20-对氰基苯基卟啉锌（2）结构表征55-56
• 3.2.3 5,15-二苯基-10-溴-20-对氰基苯基卟啉锌（3）结构表征56-57
• 3.2.4 5,15-二苯基-10-二芳胺基-20-对氰基苯基卟啉锌（4）合成研究和结构表征57-59
• 3.2.5 5,15-二苯基-10-二芳胺基-20-对醛基苯基卟啉锌（5）结构表征59-61
• 3.2.6 染料分子结构表征61-62
• 3.2.7 二芳胺-卟啉型染料光学性能研究62-64
• 3.2.8 二芳胺-卟啉型染料循环伏安性能分析64-65
• 3.2.9 二芳胺-卟啉型染料光电转换性能的研究65-67
• 3.2.10 暗态交流阻抗性能的研究67-68
• 3.2.11 DFT 计算和理论解释68-69
• 3.3 本章小结69-71
• 第四章 结论71-72
• 参考文献72-81
• 发表论文和参加科研项目说明81-82
• 附录82-88
• 致谢88

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

卟啉类光敏剂的制备及其研究(Ⅱ)──卟啉C的制备及其激光测定    袁履冰,赵国良,张志磷,丁建华,赵永净,林钧岫

三种卟啉类药物对DNA光敏损伤的比较    许以明,徐国瑞,杨先春,张志义

二维卟啉类分子材料的三阶非线性光学性质的研究    杨少辰，富金刚，宫润泽，范文友，王得元，孙文芳，董铁强

卟啉类显色剂的研究与应用    段彩虹,丁玉龙,牟宗刚,徐栋,魏琴

    

1.新型卟啉类光敏剂的研究 2.三对节化学成分研究    殷军港

卟啉类光敏剂荧光检测技术研究    艾洪波

卟啉类复杂型分子机器组件的合成研究    黄诗尧

卟啉类敏化太阳能电池染料的构效关系研究    曾喆

氟硼二吡咯和卟啉类染料的设计合成与性能研究    吴阳春

叶绿素衍生物光敏助氧化作用的生物学效应研究    马士成

中位供电基团对卟啉类染料敏化剂光伏性能影响的研究    薛晓东