吡啶、三倍司类非对称半菁染料及有机氧化还原电对在染料敏化太阳能电池中的应用研究

【摘要】：光敏染料和电解质作为染料敏化太阳能电池的核心组成部分,对电池的光电转换性能起着决定性的作用。设计开发高效、稳定、廉价的光敏染料和电解质能够有效降低电池成本,进而推进染料敏化太阳能电池的产业化进程。 将吡啶鎓离子基团作为电子受体,设计合成了11个非对称半菁染料。研究发现,与普遍采用的电子受体-氰基丙烯酸基团相比,以吡啶鎓离子基团为电子受体构建的光敏染料吸收谱带发生明显红移,对太阳光光谱具有更宽的响应。将此类光敏染料应用于染料敏化太阳能电池中,染料CM104获得了7.0%(Jsc=13.4mA·cm-2,Voc=704mV,FF=74.8%)的光电转换效率；相同条件下参比染料CMR104获得了3.4%(Jsc=6.2mA·cm-2,Voc=730mV,FF=74.8%)的光电转换效率。 将吡啶鎓离子基团做为桥基与电子受体氰基丙烯酸基团直接相连,设计合成了3个D-A-A型半菁染料。在吡啶鎓离子基团和氰基丙烯酸基团的共同吸电子作用下,此类光敏染料吸附于TiO2表面仅发生2-6nm的蓝移。将此类光敏染料应用于染料敏化太阳能电池中,以CM203为光敏染料,使用碘/硫多组分杂合电解质制备的电池获得了8.8%(Jsc=15.0mA·cm-2,Voc=820mV,FF=72.5%)的光电转换效率。 将三倍司鎓离子基团作为电子受体构建的光敏染料CM301-CM304在可见光区域吸收较强,但吸收光谱较窄。应用于染料敏化太阳能电池中,仅在500-650nm区域对太阳光具有较高转化效率。以CM303为光敏剂的电池获得了5.0%的光电转换效率。选用与CM303光谱互补的纯有机光敏染料CMR103和HY113共同用于制备共敏化太阳能电池,获得了8.2%的光电转换效率。共敏化电池在整个可见光区域(400-700nm)内IPCE值保持在85%以上。 将L-半胱氨酸/L-胱氨酸氧化还原电对应用于染料敏化太阳能电池电解质,以N719为光敏染料,获得了7.7%的光电转换效率。此类电解质制备简单、成本低廉、腐蚀性较小,更适用于规模化生产；同时电解质对光的吸收性能较弱,有利于光敏染料对光的吸收转换。 以对苯二酚/苯醌为氧化还原电对的多组分杂合电解质近乎无色,有利于光敏染料对太阳光的捕获,将此电对应用于染料敏化太阳能电池中,获得了8.4%(Jsc=17.2mA·cm-2,Voc=750mV,FF=66.3%)的光电转换效率,这一效率优于使用I-/I3-电解质封装的电池。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 纯有机光敏染料 半菁染料 氧化还原电对
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O621.13;TM914.4
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-14
• TABLE OF CONTENTS14-19
• 图目录19-24
• 表目录24-26
• 主要符号表26-27
• 1 太阳能与太阳能电池27-54
• 1.1 引言27-28
• 1.2 太阳能电池概况28-29
• 1.2.1 硅太阳能电池28
• 1.2.2 多元化合物薄膜太阳能电池28-29
• 1.2.3 聚合物多层修饰电极型太阳能电池29
• 1.2.4 染料敏化太阳能电池29
• 1.3 染料敏化太阳能电池29-54
• 1.3.1 染料敏化太阳能电池结构与工作原理29-31
• 1.3.2 染料敏化太阳能电池性能衡量标准31-32
• 1.3.3 光敏染料的研究进展32-47
• 1.3.4 新型氧化还原电对的研究进展47-51
• 1.3.5 对电极的研究进展51-52
• 1.3.6 选题依据和意义52-54
• 2 以吡啶鎓离子基团为电子受体的非对称半菁染料在染料敏化太阳能电池中的应用研究54-102
• 2.1 引言54-56
• 2.2 电池的组装与测试方法56-58
• 2.2.1 试剂、材料与仪器56
• 2.2.2 染料敏化太阳能电池的组装56-58
• 2.2.3 电池的光伏性能测试58
• 2.2.4 电池的单色光光电转换效率测试58
• 2.3 染料光物理、电化学性质测试方法58-59
• 2.3.1 紫外可见吸收光谱测试58
• 2.3.2 电化学性质测试58-59
• 2.3.3 电化学阻抗测试59
• 2.3.4 染料在TiO_2膜表面的吸附量测试59
• 2.4 以吡啶鎓离子基团为电子受体的四氢喹啉类半菁染料的性能研究59-78
• 2.4.1 光敏染料CM101-CM104和CMR101-CMR104的紫外可见吸收光谱59-61
• 2.4.2 光敏染料CM101-CM104和CMR101-CMR104的电化学性质61
• 2.4.3 光敏染料CM101-CM104的密度泛函理论计算61-62
• 2.4.4 染料敏化太阳能电池光电性能62-66
• 2.4.5 光敏染料CM101-CM104和CMR101-CMR104的合成与表征66-78
• 2.5 以吡啶鎓离子基团为电子受体的半菁染料的结构与光电转换性能的构效关系研究78-101
• 2.5.1 光敏染料CM105-CM111的紫外可见吸收光谱78-79
• 2.5.2 染料吸附量和染料结构的关系79-80
• 2.5.3 光敏染料CM105-CM111的电化学性质80-81
• 2.5.4 染料敏化太阳能电池光电性能81-84
• 2.5.5 以CM105-CM111为光敏染料的染料敏化太阳能电池电化学阻抗及电子寿命测试84-86
• 2.5.6 光敏染料CM105-CM111的合成与表征86-101
• 2.6 本章小结101-102
• 3. 以吡啶鎓离子基团为桥基的半菁染料在染料敏化太阳能电池中的应用研究102-119
• 3.1 引言102
• 3.2 光敏染料光电物理性质和光电转换性能研究102-113
• 3.2.1 光敏染料CM201、CM202、CM203和CMR201的紫外可见吸收光谱103-104
• 3.2.2 光敏染料CM201、CM202、CM203和CMR201的电化学性质104-106
• 3.2.3 光敏染料CM201、CM202、CM203和CMR201的密度泛函理论计算106-107
• 3.2.4 以CM201、CM202、CM203和CMR201为光敏染料的电池的光电性能107-111
• 3.2.5 以CM201、CM202、CM203和CMR201为光敏染料的电池的电化学阻抗测试111-113
• 3.3 光敏染料CM201、CM202、CM203和CMR201的合成与表征113-118
• 3.3.1 光敏染料CM201的合成与表征113-114
• 3.3.2 光敏染料CM202的合成与表征114-115
• 3.3.3 光敏染料CM203的合成与表征115-117
• 3.3.4 光敏染料CMR201的合成与表征117-118
• 3.4 本章小结118-119
• 4 以三倍司鎓离子为电子受体的半菁染料的光电性能及其在共敏化电池中的应用研究119-133
• 4.1 引言119
• 4.2 以三倍司鎓离子为电子受体的半菁染料在染料敏化太阳能电池的应用119-124
• 4.2.1 光敏染料CM301、CM302、CM303和CM304的紫外可见吸收光谱119-121
• 4.2.2 光敏染料CM301、CM302、CM303和CM304的电化学性质121
• 4.2.3 以CM301、CM302、CM303和CM304的为光敏染料的电池的光电性能121-123
• 4.2.4 以CM301、CM302、CM303和CM304为光敏染料的电池的电化学阻抗测试123-124
• 4.3 共敏化染料敏化太阳能电池的性能研究124-128
• 4.3.1 共敏化的TiO_2的紫外可见吸收光谱124-125
• 4.3.2 共敏化电池的光电性能125-128
• 4.3.3 共敏化电池及以电化学阻抗测试128
• 4.4 光敏染料CM301、CM302、CM303和CM304的合成与表征128-131
• 4.4.1 电子受体的合成与表征129
• 4.4.2 光敏染料CM301的合成与表征129-130
• 4.4.3 光敏染料CM302的合成与表征130
• 4.4.4 光敏染料CM303的合成与表征130-131
• 4.4.5 光敏染料CM304的合成与表征131
• 4.5 本章小结131-133
• 5 不同电子受体对电池性能的影响133-146
• 5.1 引言133
• 5.2 吸电子体对光敏染料光物理性质的影响133-141
• 5.2.1 光敏染料CM401、CM402和CM403的紫外可见吸收光谱134-135
• 5.2.2 光敏染料CM401、CM402和CM403的电化学性质135-137
• 5.2.3 光敏染料的CM401、CM402和CM403密度泛函理论计算137-138
• 5.2.4 以CM401、CM402和CM403为光敏染料的染料敏化太阳能电池光电转换性能138-140
• 5.2.5 以CM401、CM402和CM403为光敏染料的染料敏化太阳能电池的电化学阻抗测试140-141
• 5.3 光敏染料的合成与表征141-144
• 5.3.1 中间体57的合成与表征141-142
• 5.3.2 光敏染料CM401的合成与表征142
• 5.3.3 光敏染料CM402的合成与表征142-144
• 5.3.4 光敏染料CM403的合成与表征144
• 5.4 本章小结144-146
• 6 新型纯有机氧化还原电对在染料敏化太阳能电池中的应用研究146-169
• 6.1 引言146
• 6.2 L-半胱氨酸/L-胱氨酸作为氧化还原电对在染料敏化太阳能电池中的应用研究146-153
• 6.2.1 L-半胱氨酸/L-胱氨酸氧化还原电对的制备146-148
• 6.2.2 基于L-半胱氨酸L-胱氨酸电对的电解质的紫外可见吸收光谱.148-149
• 6.2.3 L-半胱氨酸/L-胱氨酸电对的电化学性质149
• 6.2.4 基于L-半胱氨酸/L-胱氨酸电解质的染料敏化太阳能电池的光电性能149-152
• 6.2.5 电化学阻抗测试152-153
• 6.3 含对苯二酚/苯醌氧化还原电对的多组分杂合电解质的应用研究153-160
• 6.3.1 对苯二酚/苯醌氧化还原电对的制备153-154
• 6.3.2 基于HQ/BQ电对的多组分杂合电解质的紫外可见吸收光谱154-155
• 6.3.3 对苯二酚/苯醌氧化还原电对电化学性质155-156
• 6.3.4 基于多组分杂合电解质的染料敏化太阳能电池光电转换性能156-157
• 6.3.5 电化学阻抗,电子寿命和Mott-Schottky性能测试157-160
• 6.4 不同对电极材料对对苯二酚/苯醌氧化还原电对催化性能的研究160-165
• 6.4.1 Pt、PEDOT和MWNT对电极对HQ/BQ电对的催化性能研究160-162
• 6.4.2 染料敏化太阳能电池光电性能162-164
• 6.4.3 基于不同电解质的染料敏化太阳能电池的电化学阻抗测试164-165
• 6.5 光敏染料CM309的合成与表征165-168
• 6.5.1 中间体60的合成与表征166-167
• 6.5.2 中间体61的合成与表征167
• 6.5.3 光敏染料CM309的合成与表征167-168
• 6.6 本章小结168-169
• 7 结论与展望169-174
• 7.1 结论与创新点169-171
• 7.2 创新点摘要171-172
• 7.3 展望172-174
• 参考文献174-187
• 附录1 光敏染料结构和编号187-190
• 附录2 名词缩写诠释190-191
• 致谢191-192
• 作者简介192
• 攻读博士学位期间科研项目及科研成果192-194

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

硅半导体太阳能电池进展    李怀辉;王小平;王丽军;刘欣欣;梅翠玉;刘仁杰;江振兴;赵凯麟;

硅太阳能电池的应用研究与进展    黄庆举;林继平;魏长河;姚若河;

非晶硅薄膜太阳能电池研究进展    尹炳坤;蒋芳;

GaAs/Ge太阳能电池用锗单晶的研究新进展    李苗苗;苏小平;冯德伸;王学武;左建龙;

基于无机化合物类的薄膜太阳能电池材料的研究    王鹏飞;

太阳能利用现状与发展前景    缪仁杰;李淑兰;

我国太阳能利用技术现状及其对策    孟浩;陈颖健;

硅半导体太阳能电池进展    李怀辉;王小平;王丽军;刘欣欣;梅翠玉;刘仁杰;江振兴;赵凯麟;

光伏并网逆变器DSP核心控制电路设计    汪志;刘学锋;

基于DSC太阳能LED照明控制驱动系统    王平;

铜铟镓硒薄膜太阳能电池应用研究与进展    伍祥武;

太阳能电池发展的新概念及新方向    张霄;

基于典型用水模式下太阳能热水系统性能分析与优化    赵芳;廖胜明;

论后《京都议定书》时期的清洁能源技术转让    张乃根;

太阳能热水系统与住宅建筑的整合设计    余霞;

光伏发电LED照明的最大功率跟踪及控制技术研究    王平;

Origin在太阳能电池基本特性测定实验中的数据处理及分析    万步勇;苑进社;冯庆;

太阳能电动车关键技术研究    李春芳

中国地面太阳辐射长期变化特征及短期预报方法研究    马金玉

太阳能交流模块逆变器及其控制技术的研究    谭光慧

基于D-A-π-A型纯有机太阳能电池敏化染料设计、合成及光伏性能研究    吴永真

电化学光电转换与储存的新构思与新技术研究    刘平

二噻吩并吡咯类新型染料的合成及其在染料敏化太阳能电池中的应用研究    张海

染料敏化太阳能电池光电转换材料研究    万中全

一维壳核式复合半导体杂化敏化太阳能电池的研究    孙宝

以羟基为吸附基团的光敏剂及芳胺类空穴传输材料应用于染料敏化太阳能电池的研究    李士锋

基于卟啉的小分子和聚合物的合成及其光伏性能研究    黄玉英

太阳能热发电技术    纪献兵;蒲绍选;谢建;李云苍;刘滔;

1nm/s高速率微晶硅薄膜的制备及其在太阳能电池中的应用    张晓丹;张发荣;赵颖;陈飞;孙建;魏长春;耿新华;熊绍珍;

CdS/CdTe叠层太阳电池的制备及其性能    李愿杰;唐茜;黎兵;冯良桓;曾广根;蔡亚平;郑家贵;蔡伟;张静全;李卫;雷智;武莉莉;

多晶硅薄膜制备方法与压阻特性的研究    刘晓为;宋明浩;王喜莲;潘慧艳;揣容岩;

CdTe/CdS太阳能电池材料的研究进展    沃银花;

太阳电池研究进展    郭志球;沈辉;刘正义;闻立时;

碲化镉薄膜太阳能电池及其溅射制备    张榕;周海平;陈红;

薄膜太阳能电池的研究进展    章诗;王小平;王丽军;朱玉传;林石裕;顾应展;田健健;周成琳;

各向同性腐蚀法制备多晶硅绒面    郭志球;柳锡运;沈辉;刘正义;

基于GaAs半导体太阳电池技术发展概况    郭爱萍;孙强;