三聚茚基光敏染料的合成及其光伏性能研究

【摘要】：太阳能是人类取之不尽,用之不竭的可再生能源。近年来对太阳能电池材料的研究已经成为热点。它具有方便大面积制备和生产成本低及设计简便等优点。此外以有机染料敏化分子做电池原料可以降低环境污染,还可以缓解资源的浪费。正是由于染料敏化太阳能电池采用了光电转换的原理有效的利用了可再生资源--太阳能,因此具有很好的发展前景。 本论文以1-茚酮为原料,经过聚合反应合成三聚茚,再经过硝化,还原,重氮化,乌尔曼等反应合成中间体单、双茚胺。含茚基胺再经过Vilsmeier,Suzuki,Witting-Horner,Stille,Knoevenagel等反应合成了两大类共7种新型染料敏化剂(MXD1-7)。其中一类染料MXD1-4以单茚胺作为供电子基,氰基乙酸作为吸电基,分别以烯键,噻吩,联噻吩及环氧噻吩作为共轭桥;另一类MXD5-7染料以双茚胺作为供电子基,氰基乙酸作为吸电基,分别以噻吩,烯键噻吩及环氧噻吩作为共轭桥。通过红外、核磁和质谱对合成的各种新化合物进行结构表征,并测定它们的光谱学性质和电化学性能。将7种染料应用于染料敏化太阳能电池(DSSCs)中,通过测试它们的的光电转换性能,研究了构效关系。 研究发现:这两类化合物在可见光范围内尤其是400-550 nm内吸收较强,此外它们还有较高的摩尔消光系数(40～75×10~3M~(-1)cm~(-1)),这证明了该类化合物有良好的光捕获能力,通过对这7种染料(MXD1-7)进行电化学性能的测试,证明了染料MXD1-7的基态和激发态的氧化还原电位符合能量匹配原则。 将这7种染料(MXD1-7)应用于DSSCs,对它们进行光电转换性能的研究,发现这七种染料均具有较高的IPCE值以及在特定波长范围内较高的转换效率。单茚胺类中以单茚胺作为供电子基,氰基乙酸作为吸电基,环氧噻吩作为共轭桥的MXD-4光电转化效率最高,为6.09 %。其中短路电流(J_(SC))为11.5 mA cm~(-2),开路电压(V_(OC))为772 mV,填充因子(ff)为0.68。双茚胺类中以双茚胺作为供电子基,氰基乙酸作为吸电基,环氧噻吩作为共轭桥的MXD-7的光电转化效率最高,为6.18 %。其中短路电流(J_(SC))为11.8 mA cm~(-2),开路电压(V_(OC))为772 mV,填充因子(ff)为0.68。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 染料敏化剂 单茚胺 双茚胺 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】：2011
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 文献综述10-33
• 1.1 太阳能电池的研究背景及其发展10-11
• 1.2 染料敏化太阳能电池11-16
• 1.2.1 染料敏化太阳能（DSSCs）的基本结构11-12
• 1.2.2 染料敏化太阳能（DSSCs）的工作原理12-13
• 1.2.3 太阳能电池的各项评价指标13-16
• 1.3 多孔纳米晶氧化物半导体薄膜16-17
• 1.4 对电极17
• 1.5 电解质17-19
• 1.6 光敏染料19-31
• 1.6.1 光敏染料的要求19
• 1.6.2 光敏染料的种类19-30
• 1.6.3 多种染料的共敏化作用30
• 1.6.4 共敏染料与纳米 TiO_2表面的相互作用30-31
• 1.7 选题依据31-33
• 第二章 实验部分33-52
• 2.1 原料试剂与仪器33-34
• 2.2 试剂的纯化34-35
• 2.3 单茚胺类化合物MXD1-4 的合成35-44
• 2.3.1 合成路线35-36
• 2.3.2 中间体的合成方法36-44
• 2.4 双茚胺类化合物MXD5-7 的合成44-51
• 2.4.1 合成路线44
• 2.4.2 中间体的合成方法44-51
• 2.5 本章小结51-52
• 第三章 DSSCs 的组装、测试与结果讨论52-67
• 3.1 DSSCs 的组装与测试方法52-53
• 3.1.1 太阳能电池(DSSCs)的制备52-53
• 3.1.2 DSSCs 的伏安曲线53
• 3.1.3 DSSCs 的光电流工作谱测试53
• 3.2 光物理性能测试方法53-54
• 3.2.1 紫外—可见吸收光谱和荧光光谱测试53-54
• 3.2.2 电化学性能测试54
• 3.3 单茚胺类染料 MXD1-4 的结果与讨论54-60
• 3.3.1 染料的光谱特性54-56
• 3.3.2 染料的电化学特性56-58
• 3.3.3 太阳电池的光伏性能58-60
• 3.4 双茚胺类染料 MXD5-7 的结果与讨论60-66
• 3.4.1 染料的光谱特性60-62
• 3.4.2 染料的电化学特性62-64
• 3.4.3 太阳电池的光伏性能64-66
• 3.5 本章小结66-67
• 第四章 结论67-69
• 参考文献69-74
• 发表论文和科研情况说明74-75
• 致谢75-76

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