三苯胺类染料分子的设计合成及其光伏性能研究

【摘要】：太阳能作为一种取之不尽,用之不竭的绿色能源是解决能源危机的最佳方法之一。近年来,染料敏化太阳能电池由于其可大面积制备和生产的低成本,以及分子水平上的可设计性而受到全世界研究者的关注。染料敏化剂作为DSSC的核心部分,是其获得高光电转换效率的重要因素。 本论文设计合成了七种新型的梯度供电染料敏化剂,以N,N-二甲基苯胺单元与三苯胺共同作为供电子基。这类化合物不仅具有双供电基团,还可达到梯度供电子的目的,并且在给出和接收电子过程中表现出很强的空穴迁移特性。而且,双胺基官能团,呈扇形结构,有利于避免分子聚集、结晶,提高器件的稳定性。此外,利用红外、质谱、核磁对这些化合物的结构进行了表征,并对其光谱性质、电化学性能及其应用于染料敏化太阳能电池(DSSC)的光电转换性能方面进行了测试研究。 此类化合物大部分都在可见光区尤其是400-550 nm范围内具有很强的吸收,并且有较高高摩尔消光系数,表明了其良好的光捕获能力。通过对染料的电化学性能测试,染料ZL-1～7的基态和激发态氧化还原电位同时符合染料激发态电子注入TiO_2导带和染料还原再生的热力学要求。 将染料制备成DSSC进行测试研究,发现染料敏化剂的结构变化对DSSC的性能有较大影响。当把氰基乙酸替换为罗丹宁乙酸,DSSC的总光电转换效率明显下降。这可能是由于罗丹宁乙酸基团的羧基与五元环结构间隔一个亚甲基,使得LUMO电子分布与吸附基团(-COOH)间隔较远,使电子经由羧基注入TiO_2导带的效率下降,故以罗丹宁乙酸为吸电子基的染料ZL-5～7电池效率均较低。此外,π-桥基位于电子给体与电子受体之间的染料性能明显优于π-桥基位于两个供体单元之间的染料。 染料ZL-1～4具有高IPCE值。其中,ZL-4的IPCE值达到了93%,它的短路电流密度(Jsc)为10.8 mA cm~(-2),开路电压(Voc)为690 mV,填充因子FF为0.61,总光电转换效率最高为4.54%。之所以与文献报道中的η=9%相比较低,可能是由于其在可见光区的吸收范围较窄,从而影响了染料对光的吸收能力。以上结果表明,电子受体为氰基乙酸的梯度供电染料敏化剂为DSSC的高电子注入效率和电荷分离效率提供了可能性。 【关键词】：染料敏化太阳能电池(DSSC) 梯度供电体系染料敏化剂 N N-二甲基苯胺 三苯胺 总光电转换效率
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 引言10-11
• 第一章 文献综述11-31
• 1.1 太阳能电池的发展11-12
• 1.2 染料敏化太阳能电池12-16
• 1.2.1 DSSC 的基本结构13-14
• 1.2.2 DSSC 的工作原理14-15
• 1.2.3 太阳能电池的评价指标15-16
• 1.3 纳米晶半导体电极-多孔纳米半导体膜16-17
• 1.3.1 纳米晶TiO_216-17
• 1.3.2 ZnO17
• 1.4 对电极17
• 1.5 电解质17-18
• 1.5.1 液态电解质17-18
• 1.5.2 固态和准固态电解质18
• 1.6 光敏染料18-28
• 1.6.1 光敏染料的特点18-19
• 1.6.2 光敏染料的种类19-28
• 1.7 选题依据28-31
• 第二章 实验部分31-50
• 2.1 原料试剂与仪器31-33
• 2.2 试剂的纯化33
• 2.3 目标化合物的合成33-49
• 2.3.1 合成路线33-36
• 2.3.2 中间体的合成方法36-44
• 2.3.3 目标产物的合成44-49
• 2.4 本章小结49-50
• 第三章 DSSC 的组装、测试与目标产物性质的测试及其结果讨论50-62
• 3.1 DSSC 的组装与测试方法50-52
• 3.1.1 太阳能电池的制备50-51
• 3.1.2 DSSC 的伏安性能测试51-52
• 3.1.3 DSSC 的光电流工作谱测试52
• 3.2 光物理性能测试方法52-53
• 3.2.1 紫外一可见吸收光谱和荧光光谱测试52-53
• 3.2.2 电化学性能测试53
• 3.3 结果与讨论53-60
• 3.3.1 染料的光谱特性53-56
• 3.3.2 染料的电化学特性56-57
• 3.3.3 太阳电池的光电化学特性57-60
• 3.4 本章小结60-62
• 第四章 结论62-64
• 参考文献64-69
• 发表论文和科研情况说明69-70
• 致谢70-71

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