三苯胺和腙类有机染料的合成及其光伏性能研究

【摘要】：可再生能源是未来社会不可或缺的能源之一，它包括太阳能、风能、水能、潮汐能等。其中，太阳能以其无地域性、清洁无污染等优势受到越来越多的重视。太阳能电池是利用光生伏特效应将光能转换为电能的装置。相对于传统无机太阳能电池，染料敏化太阳能电池(DSSCs)以其高效、价廉易得等优势备受关注。考虑到钌染料的种种局限，纯有机染料则成为了DSSCs的候选材料之一，因为纯有机染料有着高的摩尔吸光系数，制备简单且成本较低。在本论文中，我们设计合成了一系列新型三苯胺和腙类纯有机染料，研究了它们的光物理和电化学性质，并制备DSSCs，研究了其光伏性质。主要研究内容和结果如下： 1.设计并合成了三个新的D-A′-π-A型三苯胺类染料Dye1、Dye2和Dye3，分别以氰基乙酸和丙二腈作为A，芴酮和9-(二氰基乙烯基)芴作为A′，3-己基噻吩为共轭桥。利用紫外-可见吸收光谱、循环伏安法研究了染料分子中不同受体（A和A′）对其光物理和电化学性能的影响。重点研究了A和A′的强弱对染料敏化太阳能电池光伏性能的影响。结果表明：A′的吸电子能力过强（如用二氰基乙烯基代替芴酮上的羰基）有碍于电子在D和A间的有效传输，不利于光电转换过程的发生，从而影响了能量转换效率。制备的基于这三种染料的染料敏化光伏器件中，Dye1的能量转换效率最高达到5.33%(Jsc=13.39mA/cm2，Voc=0.66V，FF=0.60)。 2.设计并合成了三个新的D-π-A型腙类染料HON、HTz和HTzN，分别以3,4-二(辛氧基)噻吩和2,5-双(3,4-二辛氧基噻吩-2-基)噻唑[5,4-d]并噻唑为共轭桥，以氰基乙酸和对硝基苯乙腈基团作为电子受体A。利用紫外-可见吸收光谱、循环伏安法研究了对硝基苯乙腈受体单元对其光物理、电化学和光伏性能的影响。研究表明，含氰基乙酸单元的HTz染料能更好的吸附在TiO2膜上，其中基于HTz的DSSCs获得了5.89%的能量转换效率(Jsc=14.87mA/cm2，Voc=0.62V，FF=0.64)。另外我们也初步研究了该系列染料在本体异质结型光伏器件的光伏性能，其中以含有对硝基苯乙腈单元的HTzN染料呈现了较好的光伏性能，其能量转换效率达到0.92%(Jsc=2.96mA/cm2，Voc=0.79V，FF=0.40)。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 三苯胺 D-A′-π-A N N-二苯腙 光伏性能
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4;TQ610.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 综述9-23
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 DSSCs 的结构及其工作原理10-11
• 1.3 有机太阳能电池的性能参数11-13
• 1.3.1 开路电压 (Open-circuit voltage, Voc)11
• 1.3.2 短路电流 (Short- circuit current, Jsc)11
• 1.3.3 最大输出功率 (Pmax)11-12
• 1.3.4 填充因子 (Fill factor, FF)12
• 1.3.5 能量转换效率 (PCE)12
• 1.3.6 入射光子-电子转化效率 (IPCE)12
• 1.3.7 电流密度-电压特性曲线 (J-V 曲线)12-13
• 1.4 影响染料敏化太阳能电池效率的因素13-15
• 1.5 染料敏化剂的分类15-21
• 1.5.1 含贵金属的多联吡啶钌类染料15-16
• 1.5.2 不含贵金属的纯有机染料16-21
• 1.6 本论文的设计思想和主要内容21-23
• 第二章 D–A′–π–A 型三苯胺类有机染料的合成及其光伏性能研究23-38
• 2.1 引言23-24
• 2.2 实验部分24-28
• 2.2.1 试剂和仪器24
• 2.2.2 染料的合成路线24-28
• 2.3 结果与讨论28-36
• 2.3.1 染料分子的设计与合成及其表征28-29
• 2.3.2 染料的光物理性质29-31
• 2.3.3 染料的电化学性质31-32
• 2.3.4 染料的分子轨道计算32-33
• 2.3.5 基于三个染料的 DSSCs 的光伏性能33-35
• 2.3.6 三个染料的电化学阻抗研究35-36
• 2.4 本章小结36-38
• 第三章 含不同受体的 D–π–A 型腙类有机染料的合成及其光伏性能的研究38-53
• 3.1 引言38-39
• 3.2 实验部分39-43
• 3.2.1 试剂和仪器39
• 3.2.2 染料的合成路线39-43
• 3.3 结果与讨论43-52
• 3.3.1 染料分子的设计与合成及其表征43-44
• 3.3.2 染料的光物理性质44-46
• 3.3.3 染料的电化学性质46-47
• 3.3.4 染料的分子轨道计算47-48
• 3.3.5 基于四个染料的光伏性能48-52
• 3.4 本章小结52-53
• 总结与展望53-54
• 参考文献54-61
• 附录 A 部分产物的核磁图61-71
• 附录 B 试剂、药品及其纯化方法71-73
• 附录 C 仪器及测试条件和方法73-74
• 致谢74-75
• 攻读硕士学位期间发表论文情况75

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