取代联噻吩染料敏化剂的合成与光伏性能研究

【摘要】：随着石化能源的消耗及其带来的环境问题,可再生能源的开发利用受到越来越多的关注。太阳能作为一种取之不尽用之不竭的清洁能源,已成为缓解能源危机最值得开发的能源之一。太阳能电池作为有效利用太阳能的方式之一,其研究受到世界各国的重视。染料敏化太阳能电池(DSSCs)作为一种新型太阳能电池,由于其稳定性好、价格低廉和效率较高而受到广泛关注。在DSSCs中,染料敏化剂的作用是吸收太阳光,产生光电子,并将光电子注入到纳米半导体导带中,同时生成的氧化态染料又能快速从电解液中的氧化还原电对I3-/I-上得到电子而还原再生。因此,染料敏化剂是影响DSSCs光电转化效率的重要因素之一,也是当前DSSCs的研究热点。与金属络合物染料相比,纯有机光敏染料由于具有成本低、摩尔消光系数高和设计灵活等优点被广泛关注。 在纯有机光敏染料D-π-A结构中,研究集中在修饰D或π结构来提高光电转化效率。本论文设计合成了三个结构新颖的纯有机光敏染料TD3-TD5,以三苯胺作为电子供体,氰基乙酸作为电子受体,乙烯基烷基取代联噻吩作为π共轭桥链,通过烷基链的引入以期可以有效抑制染料分子在纳米半导体表面的团聚,进而提高光电转化效率。主要研究内容如下： 1.参照文献方法合成了参比染料TD1、TD2以及TC105。详细研究了反应中的条件,优化了合成方法,合成总收率分别为11.4%、12.6%、35.4%,目标产物结构经核磁共振、质谱和傅立叶变换红外光谱鉴定与文献一致。 2.以三苯胺,3-己基噻吩,3-乙基噻吩等为原料,经过Vilsmeier、还原、NBS溴代、Wittig以及Knoevenagel缩合等反应,合成了三种新型纯有机染料TD3-TD5,合成总收率分别为]0.2%、10.0%、7.8%,产物结构经核磁共振、质谱和傅立叶变换红外光谱鉴定,并探讨了合成过程中的反应机理和影响因素。 3.对染料的光物理和电化学性质进行了测试,关联了延长π共轭桥链、桥链上引入烷基链及烷基链的长短对染料光物理和电化学的影响。紫外-可见光谱分析表明,染料分子π共轭桥链的延长,使其吸光范围拓宽了30～50nm；由电化学性能分析可知,染料TD3-TD5的HOMO和LUMO能级均能与Ti02能级很好的匹配,满足了作为有效光敏染料的能级要求。 4.通过对染料TD1～TD4、TC105和N719的光伏性能测试,结果表明,引入烷基链使短路电流密度和开路电压分别提高了约2mA cm-2和70mV,光电转化效率提高了约25%。其中TD3以己基取代的联噻吩作为X共轭桥链,表现出最大的光电转化效率6.78%,达到了相同条件下N719(7.64%)光电转化效率的88.7%。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 三苯胺 取代联噻吩 光电转换效率
【学位授予单位】：陕西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4;O621.13
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-16
• 第1章 绪论16-32
• 1.1 引言16-17
• 1.2 染料敏化太阳能电池17-21
• 1.2.1 染料敏化太阳能电池的结构及工作原理17-19
• 1.2.2 染料敏化太阳能电池的性能参数19-20
• 1.2.3 染料敏化太阳能电池性能的影响因素20-21
• 1.3 染料敏化剂简介21-29
• 1.3.1 染料敏化剂的要求21-22
• 1.3.2 染料敏化剂的种类22-29
• 1.4 研究背景及内容29-32
• 1.4.1 研究背景29-30
• 1.4.2 研究内容30-32
• 第2章 参比染料TD1、TD2和TC105的合成及表征32-46
• 2.1 引言32
• 2.2 试剂与仪器32-35
• 2.2.1 试剂32-34
• 2.2.2 仪器34-35
• 2.3 合成路线35-36
• 2.4 结构表征方法36
• 2.5 中间体及目标产物的合成36-41
• 2.5.1 中间体2-氯甲基噻吩(SFLJ)的合成36
• 2.5.2 中间体2-乙基(噻吩-2-基甲基)膦酸酯(SFLZ)的合成36-37
• 2.5.3 中间体4-二苯氨基苯甲醛(TPA-CHO)的合成37
• 2.5.4 中间体N,N-二苯基-4-(2-(噻吩-2-基)乙烯基)苯胺(TPA-DS)的合成37
• 2.5.5 中间体5-(4-(二苯氨基)苯乙烯基)噻吩-2-甲醛(TPA-DS-CHO)的合成37-38
• 2.5.6 目标产物2-氰基-3-(5-(4-(二苯氨基)苯乙烯基)噻吩-2-基)-丙烯酸(TD1)的合成38
• 2.5.7 中间体(4-(二苯氨基)苯基)甲醇(TPA-CH_2OH)的合成38-39
• 2.5.8 中间体三苯基膦氢溴酸盐(PPh_3·HBr)的合成39
• 2.5.9 中间体4-((溴三苯基正膦基)甲基)-N,N-二苯胺(TPA-PY)的合成39
• 2.5.10 中间体-2’-联噻吩-5-甲醛(LSF-CHO)的合成39-40
• 2.5.11 中间体4-(2-(2,2’-联噻吩-5-基)乙烯基)-N,N-二苯胺(TPA-LS)的合成40
• 2.5.12 中间体5’-(4-(二苯氨基)苯乙烯基)-2,2’-联噻吩-5-甲醛(TPA-LS-CHO)的合成40-41
• 2.5.13 目标产物2-氰基-3-(5’-(4-(二苯氨基)苯乙烯基)-2,2’-联噻吩-5-基)丙烯酸(TD2)的合成41
• 2.5.14 目标产物物2-氰基-3-(4’-(二苯氨基)-1,1’-联苯基-4-基)-丙烯酸(TC105)的合成41
• 2.6 结果与讨论41-45
• 2.6.1 中间产物及目标产物合成条件的优化41-43
• 2.6.2 产物的结构表征43-45
• 2.7 小结45-46
• 第3章 含烷基链染料TD3、TD4和TD5的合成及表征46-62
• 3.1 引言46
• 3.2 试剂与仪器46-47
• 3.2.1 试剂46-47
• 3.2.2 仪器47
• 3.3 合成路线47-48
• 3.4 结构表征方法48
• 3.5 实验部分48-53
• 3.5.1 中间体2-溴-3-己基噻吩(JSX)的合成48-49
• 3.5.2 中间体5-溴-4-己基噻吩-2-甲醛(JSX-CHO)的合成49
• 3.5.3 中间体4-(2-(5-溴-4-己基噻吩-2-基)乙烯基)-N,N-二苯胺(TPA-JDS)的合成49
• 3.5.4 中间体5’-(4-(二苯氨基)苯乙烯基)-3’-己基-(2,2’-联噻吩)-5-甲醛(TPA-JLS-CHO)的合成49-50
• 3.5.5 目标产物2-氰基-3-(5’-(4-(二苯氨基)苯乙烯基)-3’-己基-(2,2’-联噻吩-5-基)丙烯酸(TD3)的合成50
• 3.5.6 中间体2-溴-3乙基噻吩(YSX)的合成50-51
• 3.5.7 中间体5-溴-4-乙基噻吩-2-甲醛(YSX-CHO)的合成51
• 3.5.8 中间体4-(2-(5-溴-4-乙基噻吩-2-基)乙烯基)-N,N-二苯胺(TPA-YDS)的合成51
• 3.5.9 中间体5’-(4-(二苯氨基)苯乙烯基)-3’-乙基-(2,2’-联噻吩)-5-甲醛(TPA-YLS-CHO)的合成51
• 3.5.10 目标产物2-氰基-3-(5’-(4-(二苯氨基)苯乙烯基)-3’-乙基-(2,2’-联噻吩-5-基)丙烯酸(TD4)51-52
• 3.5.11 中间体3’-己基-(2,2’-联噻吩)-5-甲醛(ZJLS-CHO)的合成52
• 3.5.12 中间体4-(2-(3’-己基-(2,2’-联噻吩)-5-基)乙烯基)-N,N-二苯胺(TPA-ZJLS)的合成52-53
• 3.5.13 中间体5’-(4-(二苯氨基)乙烯基)-3-己基-(2,2’-联噻吩)-5-甲醛(TPA-ZJLS-CHO)的合成53
• 3.5.14 目标产物2-氰基-3-(5’-(4-(二苯氨基)苯乙烯基)-3-己基-(2,2’-联噻吩-5-基)丙烯酸(TD5)的合成53
• 3.6 结果与讨论53-60
• 3.6.1 合成路线讨论53-54
• 3.6.2 中间产物合成条件的优化54-57
• 3.6.3 Wittig反应机理及影响因素的讨论57-59
• 3.6.4 产物的结构表征59-60
• 3.7 小结60-62
• 第4章 染料的性能研究62-74
• 4.1 引言62
• 4.2 光伏器件的制备及组装62-63
• 4.3 电池的光伏性能测试63
• 4.4 电池的单色光光电转换效率谱测试63
• 4.5 光物理、电化学性质测试方法63-65
• 4.5.1 紫外-可见吸收光谱和荧光发射光谱测试63-64
• 4.5.2 电化学性质测试64
• 4.5.3 能级计算64
• 4.5.4 电化学阻抗测试64-65
• 4.6 结果与讨论65-73
• 4.6.1 染料的光物理性质65-66
• 4.6.2 染料的电化学性质66-68
• 4.6.3 染料的密度泛函理论计算68-69
• 4.6.4 染料的光伏性能研究69-72
• 4.6.5 染料的电化学阻抗谱72-73
• 4.7 小结73-74
• 结论74-76
• 参考文献76-84
• 附录84-102
• 致谢102-104
• 攻读硕士学位期间的科研成果104

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

染料敏化纳米薄膜太阳电池电解质的优化    戴松元,肖尚锋,史成武,陈双宏,黄阳,孔凡太,胡林华,潘旭,隋毅峰,翁坚,王孔嘉

Pd催化下Suzuki偶联反应合成5'-硝基-[2,2'-联噻吩]-5-甲醛    郭琳;安忠维;谢倩;陈新兵;陈沛;

基于不同取代基的噻吩-三苯胺染料敏化剂的合成与光伏性能    蒋生辉;周维平;谭卓;沈平;赵斌;谭松庭;

染料敏化纳米晶薄膜太阳电池    孟庆波,林原,戴松元

无机片状微晶对化学光源发光效率的影响研究    许炜达;薛艳菊;孙家跃;

染料敏化太阳能电池研究进展    杨宏训;黄妙良;韩鹏;姜奇伟;吴子豹;吴季怀;

电纸一体化发展草类纤维制浆的新路    袁志平;

聚4-乙烯基吡啶凝胶电解质在DSSCs中应用性能    刘国军;胡滨;胡志强;刘素花;徐晶;贺琳;张芃;

电沉积TiO_2纳米晶薄膜及其光电性能研究    张林森;桂阳海;王力臻;卫艳双;

基底对染料敏化太阳电池J-U特性的影响    倪萌;LEUNG Michael;

染料敏化太阳电池纳米结构对输出特性的影响    倪萌;LEUNG Michael;

染料敏化太阳电池光电极厚度的研究    倪萌;Leung M.K.H.;Leung D.Y.C.;

染料敏化太阳电池电解质的研究现状    刘广陆;张苑;蔡宁;赵颖;杨瑞霞;

PVP及其共聚物凝胶电解质的制备与应用    胡滨;刘国军;胡志强;李慧连;余大平;陈书文;

三元氧化物基的染料敏化太阳能电池    黄礼华;魏明灯;

水热合成TiO_2的结晶度对染料敏化太阳能电池的影响    苏岩;胡志强;巩翠翠;李璞;

非木材原料实现清洁制浆的关键-创新纸浆的漂白技术    袁志平;

微纳复合材料光生电荷性质及活性研究    张宇

智能复合结构损伤光修复与监测的相关技术研究    李鹏

小分子激发态质子转移的理论研究    赵晓宏

新型含氮杂环荧光分子的设计、合成及性质研究    周莹

微尺度聚合物光子学器件构筑及性能研究    金峰

腐殖酸及其不同级分和铁的络合物对阿特拉津光降解的影响    欧晓霞

锇配合物电子结构和光谱性质的量子理论研究    吴玉辉

纳米结构薄膜中光生电荷传输性质的研究及其在太阳电池中的应用    庞山

状态实时监控与损伤快速修复的光纤智能结构研究    郭林峰

高效复合光催化材料的设计制备及其催化性能研究    李莉

几种重氮盐及偶氮化合物的设计、合成及光学性能研究    李娟

三苯胺类染料分子的设计合成及其光伏性能研究    张璐

喹啉酮衍生物在不同受限介质中光反应的研究    石丽丽

基于复合光阳极的染料敏化太阳能电池的研究    赵旺

二氧化钛纳米棒薄膜材料及其太阳电池的溶胶—凝胶制备与光催化活性的研究    那日苏

脉冲激光液相沉积制TiO_2纳米薄膜及其光电性能    王国兵

凝胶聚合物电解质的制备、改性及其在DSSC中的应用    陈小花

含梯度供电基的染料合成及其光伏性能研究    徐英军

利用密度泛函理论研究两种染料分子内的电荷转移    张亚萍

染料敏化电池阳极制备及敏化工艺优化研究    高培峰

噻吩及其衍生物    陆咏,袁少波

负载钯及非钯型Suzuki偶联反应催化剂体系的研究进展    王文涛;刘小民;张生军;许庆俊;徐凤杰;杨永忠;

薄膜太阳电池的研究进展    耿新华,孙云,王宗畔,李长健

染料的光敏作用    沈涛;

基于不同取代基的噻吩-三苯胺染料敏化剂的合成与光伏性能    蒋生辉;周维平;谭卓;沈平;赵斌;谭松庭;

染料敏化纳米薄膜太阳能电池    周娴;潘华锦;

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;

格氏试剂交叉偶联反应制备α－三联噻吩    兰志银，丘昌隆

二氧化钛纳米染料敏化电池研究动态    胡芸菲;徐刚;梁宗存;

染料敏化纳米晶薄膜太阳能电池用染料敏化剂的研究进展    王红军;王艳蕊;关梦杰;高娟;

染料敏化纳米薄膜太阳电池中的染料敏化剂    孔凡太,戴松元,王孔嘉

新型可溶性铜酞菁染料敏化剂的合成    马学美;花建丽;武文俊;田禾;

染料敏化太阳电池的染料敏化剂的研究进展    秦国旭;袁希梅;李祥飞;

新型基于吡咯染料敏化剂的合成和性能研究    李倩倩;时杰;卢兰兰;彭天佑;秦金贵;李振;

太阳能电池有机染料敏化剂研究进展    张东玖;楚增勇;程海峰;邢欣;

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;

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;

含三联噻吩两亲分子的性质研究及环糊精辅助的微球形成    赵莉;蒋凌翔;阎云;黄建滨;

带TMS基团的π-共轭四、六邻联噻吩大环化合物的合成    王阳光;王志华;程延祥;赵东锋;王华;

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;

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;

染料电池 未来的“家用电站”    戴松元(中科院等离子体物理研究所研究员)

植物激素能增强癌症光疗效果    黎彬

形形色色的现代单兵隐形衣    宋德军 景小飞

这种太阳能电池雨天也工作    张亮

展望未来医学    本报记者 冯军军

新材料领域值得注意的新发展方向（二）    邵立勤

太阳电池：柔软便携像纸一般    记者 连雅婕　通讯员 于柏林 于洋

新染料可改进太阳能电池效率    刘霞

我省新型太阳电池研究“世界先进”    于洋　李文

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

基于吲哚啉给体的染料敏化剂的构建及光伏性能研究    李文琴

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

染料敏化太阳能电池光电转换材料研究    万中全

铼、钌联吡啶光敏染料的研究    孙世国

芳胺染料在溴（碘）基染料敏化太阳能电池中的应用    滕超

染料敏化太阳能电池中含二氢喹啉、希夫碱、硝基结构三种染料和硫、碘双组份电解质的研究    丛家彦

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

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

基于联噻唑和芳胺类染料的敏化太阳能电池    贺锦香

取代联噻吩染料敏化剂的合成与光伏性能研究    梁晓琴

喹啉类有机染料敏化剂光电性质的理论研究    刘莉

咔唑类染料敏化剂的合成及在太阳能电池中的应用研究    杜娟

联吡啶钌盐类染料敏化剂的合成、表征及性能研究    谢倩

吲哚啉类光敏染料的合成及光电性能研究    尤丹

两类新型太阳能电池材料的理论研究    杨晓珂

5-位取代联噻吩及其衍生物的制备研究    张娟

宽光谱有机染料的合成及应用    周杰

香豆素衍生的染料敏化太阳能电池光敏剂的研究    郭建

Schiff碱类染料敏化剂的合成及其性能研究    郭琳