新型纯有机光敏染料的合成及其应用于染料敏化太阳能电池的研究

【摘要】：光敏染料是染料敏化太阳能电池的核心部分,设计、开发高效稳定的光敏染料对于提升电池的光电转换效率以及工业化应用有重要意义。本论文设计合成了几个系列纯有机光敏染料,系统地研究了染料的物理、电化学性质对染料敏化太阳能电池光伏性能的影响。 异喹啉阳离子作为吸电子体引入到D-π-A体系中,设计合成了一系列不含乙烯基的光敏染料。应用于染料敏化太阳能电池时,染料JH304敏化的太阳能电池获得了最高7.3%(Jsc=14.40mA·cm-2,Voc=684mV,FF=74.4%)的光电转换效率。当采用不同数目-CH2-单元将异喹啉阳离子与羧基分开时,随着-CH2-数目的增加,电池的效率由6.8%降低到4.2%。然而,与异喹啉阳离子染料不同,-CH2-数目的增加使得绕丹宁染料的效率由4.1%提高到4.5%。 羟基作为吸附基团引入D-π-A体系中,设计合成了一系列吡啶阳离子光敏染料,研究了不同的供电子体对染料光伏性能的影响。最终,染料JH401敏化的太阳能电池获得了2.6%的光电转换效率,且在440nm处获得了80%的IPCE值,这也是到目前为止羟基吸附染料获得的最高IPCE值。 采用菲醌衍生物为π桥基,设计合成了含有不同供电子体和桥基的光敏染料。应用于染料敏化太阳能电池时,染料JH203敏化的太阳能电池获得了6.0%(Jsc=11.13mA·cm-2,Voc=720mV,FF=74.9%)的光电转换效率。老化测试表明,菲醌衍生物染料具有良好的稳定性。 基于吩噻嗪的D-π-A与D-A-π-A结构光敏染料研究表明,D-A-π-A结构光敏染料表现出更宽、更红的吸收光谱,但是摩尔消光系数明显降低。在同样的测试条件下,D-π-A结构光敏染料获得了7.5%(Jsc=16.36mA·cm-2,Voc=706mV,FF=64.5%)的光电转换效率,而D-A-π-A结构染料敏化的太阳能电池产出了6.4%(Jsc=14.71mA.cm-2,Voc=645mV,FF=67.3%)的光电转换效率。 【关键词】：太阳能电池 光伏器件 纯有机染料
【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】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-15
• 主要符号表15-16
• 1 太阳能与太阳能电池16-39
• 1.1 绪论16-17
• 1.2 太阳能电池研究进展17-19
• 1.2.1 硅基太阳能电池17
• 1.2.2 多元化合物薄膜太阳能电池17-18
• 1.2.3 有机薄膜太阳能电池18
• 1.2.4 染料敏化太阳能电池18-19
• 1.3 染料敏化太阳能电池19-39
• 1.3.1 染料敏化太阳能电池的结构及其工作原理19-20
• 1.3.2 染料敏化太阳能电池性能衡量标准20-21
• 1.3.3 光敏染料的研究进展21-35
• 1.3.4 氧化还原电对的研究进展35-37
• 1.3.5 对电极的研究进展37
• 1.3.6 选题依据和意义37-39
• 2 异喹啉阳离子光敏染料的合成及其应用于染料敏化太阳能电池的研究39-62
• 2.1 引言39-40
• 2.2 电池的组装40-42
• 2.2.1 试剂、材料与仪器40-41
• 2.2.2 染料敏化太阳能电池的组装41-42
• 2.3 染料JH301-JH304的物理、电化学性质以及光伏性能的研究42-49
• 2.3.1 染料JH301-JH304的紫外可见吸收光谱以及电化学性质42-45
• 2.3.2 染料JH301-JH304的光伏性能45-49
• 2.4 染料JH301-JH304的合成与表征49-61
• 2.4.1 常用有机反应步骤49
• 2.4.2 染料JH301-JH304供电子体的合成49-53
• 2.4.3 染料JH301-JH304π桥基的合成53-55
• 2.4.4 光敏染料JH301-JH304的合成55-61
• 2.5 本章小结61-62
• 3 不同-CH_2-数目对异喹啉阳离子染料以及绕丹宁染料光伏性能的影响62-81
• 3.1 引言62-63
• 3.2 不同亚甲基异喹啉阳离子染料的物理、电化学以及光伏性能的研究63-68
• 3.2.1 染料JH101-JH103的物理、电化学性质研究63-64
• 3.2.2 染料JH101-JH103的光伏性能的研究64-68
• 3.3 不同-CH_2-数目绕丹宁光敏染料的物理、电化学以及光伏性能的研究68-73
• 3.3.1 染料JH501和JH502的物理、电化学性质的研究68-70
• 3.3.2 染料JH501和JH502的光伏性能的研究70-73
• 3.4 不同-CH_2-异喹啉阳离子染料以及绕丹宁染料的合成73-79
• 3.4.1 染料JH101-JH103的合成及其表征73-77
• 3.4.2 染料JH501和JH502的合成及其表征77-79
• 3.5 本章小结79-81
• 4 羟基吡啶阳离子光敏染料的合成及其光伏性能的研究81-97
• 4.1 引言81-82
• 4.2 染料的物理、电化学性质以及光伏性能的研究82-88
• 4.2.1 染料JH401-JH404的物理、电化学性质的研究82-85
• 4.2.2 染料JH401-JH404的光伏性能研究85-88
• 4.3 染料的合成及其表征88-96
• 4.3.1 染料供电子体和吸电子体的合成88-92
• 4.3.2 最终染料的合成与表征92-96
• 4.4 本章小结96-97
• 5 菲醌衍生物为π桥基光敏染料的合成及其光伏性能的研究97-109
• 5.1 引言97-98
• 5.2 染料的物理、电化学性质以及光伏性能的研究98-103
• 5.2.1 染料JH201-JH203的物理、电化学性质的研究98-100
• 5.2.2 染料JH201-JH203的光伏性能的研究100-103
• 5.3 染料的合成与表征103-108
• 5.3.1 染料JH201-JH203的供电子体和π桥基的合成与表征103-105
• 5.3.2 最终染料的合成与表征105-108
• 5.4 本章小结108-109
• 6 D-π-A和D-A-π-A结构吩噻嗪染料的合成及其光伏性能的研究109-120
• 6.1 引言109
• 6.2 染料的物理、电化学性质以及光伏性能的研究109-114
• 6.2.1 染料JH305和JH307的物理、电化学性质的研究109-112
• 6.2.2 染料JH305和JH307的光伏性能的研究112-114
• 6.3 染料的合成与表征114-118
• 6.3.1 化合物2的合成与表征115
• 6.3.2 化合物3的合成与表征115
• 6.3.3 化合物4的合成与表征115-116
• 6.3.4 化合物5的合成与表征116
• 6.3.5 化合物6的合成与表征116-117
• 6.3.6 化合物7的合成与表征117
• 6.3.7 化合物8的合成与表征117
• 6.3.8 化合物9的合成与表征117
• 6.3.9 化合物10的合成与表征117-118
• 6.3.10 化合物11的合成与表征118
• 6.3.11 染料JH305的合成与表征118
• 6.3.12 染料JH307的合成与表征118
• 6.4 本章小结118-120
• 7 结论与展望120-123
• 7.1 结论120-121
• 7.2 创新点摘要121
• 7.3 展望121-123
• 参考文献123-133
• 附录1 光敏染料结构与编号133-135
• 附录2 名词缩写与诠释135-136
• 致谢136-137
• 作者简介137-138
• 攻读博士学位期间科研项目及科研成果138

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