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

【摘要】：在染料敏化太阳能电池(DSCs)中,光敏剂作为核心组件起到吸收光子并将电子注入到纳米半导体导带中的作用,同时染料阳离子又可以从电解质中的氧化还原电对处得到电子还原再生。光敏剂对整个太阳能电池的效率及长期稳定性起着关键性的作用。为了降低整个DSCs(?)的成本,开发纯有机光敏剂来代替贵金属钌配合物光敏剂在DSCs领域有着深远的意义。 目前所研究的纯有机光敏剂多为含有D-π-A结构的第一类光敏剂(电子通过光敏剂的激发态注入到半导体导带中),以氰基丙烯酸作为电子受体和镶嵌基团。自从第二类光敏剂(电子不仅可以通过激发态注入到半导体导带还可以从基态直接注入到半导体导带中)报道以来,由于其光电转化效率较低一直没有得到很好的发展。本论文首次将第一类光敏剂中的D-π-A体系引入到第二类光敏剂中,于光敏剂结构中引入电子给体,并用2-羟基苯甲腈作为电子受体和镶嵌基团,用不同取代的噻吩环作为π桥基。将电子给体、π桥基和电子受体之间以C-C单键相连,设计合成了一系列光敏剂LS201-LS204。所设计的光敏剂可以通过羟基直接吸附在TiO2表面,电子不仅可以通过与TiO2相连的羟基,也可以通过与TiO2靠近的-CN注入到半导体导带中。并且所设计的光敏剂不含有C=C双键,此设计有助于提高此类光敏剂的稳定性。 对所设计的D-π-A型光敏剂进行了光物理,电化学测试,并将其应用于DSCs中研究了光电转换性能。研究发现将D-π-A结构引入到第二类光敏剂中大大提高了第二类光敏剂的光电转化效率。其中LS203获得最高的光电转化效率3.4%(Jsc=7.4mA·cm-2,Voc=0.67V,ff=0.69),并且所设计合成的这四个第二类光敏剂较之前所报道的效率最高的第二类光敏剂均表现出更高的光电转化效率。通过对基于这四个光敏剂的DSCs的IPCE光谱研究发现这四个光敏剂的IPCE值均在70%左右,较之前所报道的第二类光敏剂具有更高的IPCE值。通过电化学阻抗谱图研究发现在π桥基中引入烷基链后有利于抑制电子与电解质之间的电子复合。引入烷基链之后DSCs的开路电压均有所提高。 通过在D-π-A型第二类光敏剂中引入供电性更强的电子给体吩噻嗪和甲氧基三苯胺进一步优化光敏剂的结构设计合成了LS211,LS213,LS221和LS223,并合成了两个基于邻苯二酚的第二类光敏剂RD-1和RD-2作为参比染料。将这些染料应用于DSCs,对其光电性能进行了研究。通过对DSCs光电性能研究发现优化结构后得到的光敏剂LS223可提供更高的光电转化效率3.6%(Jsc=7.3mA·cm-2,Voc=0.69V,ff=0.71),通过太阳能电池的IPCE测试发现,优化结构后的IPCE值也得到明显提高,说明通过加强电子给体的供电子能力对于提高染料的光电转化效率是有利的。通过与参比染料RD-1和RD-2的光电性能对比研究发现,将2-羟基苯甲腈代替邻苯二酚以后对于提高第二类光敏剂的光电转换性能是非常有利的。同样于第二类光敏剂分子结构中引入电子给体对于提高DSCs (?)(?)光电转化性能也是有利的。 出于传统的液态电解质存在泄漏、腐蚀、毒性等诸多不利因素,严重限制了其在工业化中的应用。固态染料敏化太阳能电池可以有效地避免上述不利因素,也使染料敏化太阳能电池的工业化应用成为了可能。目前,多数固态染料敏化太阳能电池的研究多为基于Spiro-OmetaD体系的,并且也取得不错的结果。但是由于Spiro-OmetaD溶解性较差及其阳离子在可见光区有吸收等原因致使其在固态染料敏化太阳能电池中的空穴填充率较低并且与光敏剂对入射光产生竞争性吸收等。本论文合成了四个芴氨类及芴与咔唑偶联的化合物TFA-2、TFA-4、FCF-6和CFC-6,对这四个化合物进行了光物理及电化学测试,并最终选定TFA-2和TFA-4作为空穴传输材料与光敏剂TC305配合组装成固态染料敏化太阳能电池。通过对固态电池的J-V测试发现,以TFA-2和TFA-4作为空穴传输材料的固态电池的光电转化效率达到1.20%(Voc=0.99V,Jsc=2.30mA·cm-2,ff=0.53)和0.72%(Voc=0.91V,Jsc=2.03mA·cm-2,ff=0.39)。通过对器件的IPCE测试发现,基于TFA-2和TFA-4的器件最大的IPCE值分别为35.7%和30.4%。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 第二类光敏剂 固态染料敏化太阳能电池 空穴传输材料
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目录8-11
• CONTENTS11-14
• 图表目录14-17
• 引言17-19
• 1 文献综述19-49
• 1.1 太阳能和太阳能电池19
• 1.2 染料敏化太阳能电池19-21
• 1.3 染料敏化太阳能电池的结构及其工作原理21-23
• 1.4 衡量染料敏化太阳能电池光电性能的参数23-25
• 1.4.1 单色光光电转换效率(IPCE)23-24
• 1.4.2 短路电流密度(J_(sc))24
• 1.4.3 开路电压(V_(oc))24
• 1.4.4 总的光电转换效率(η)24
• 1.4.5 光电流密度-电压曲线(J-V)24-25
• 1.5 光敏剂25-41
• 1.5.1 金属配合物光敏剂25-29
• 1.5.2 有机光敏剂29-39
• 1.5.3 第二类光敏剂39-41
• 1.5.4 组合的光敏剂41
• 1.6 电解质和空穴导体41-46
• 1.6.1 钴配合物氧化还原电对电解质42
• 1.6.2 有机电对电解质42-44
• 1.6.3 Br~-/Br_3~-氧化还原电解质44
• 1.6.4 拟卤素氧化还原电解质44
• 1.6.5 其他氧化还原电对的电解质44
• 1.6.6 空穴传输材料44-46
• 1.7 对电极46
• 1.8 展望46-47
• 1.9 选题依据47-49
• 2 含D-π-A结构第二类光敏剂的设计、合成及表征49-63
• 2.1 引言49
• 2.2 仪器与试剂49-50
• 2.3 以三苯胺为供电子基含有不同π桥基的第二类光敏剂的设计50-55
• 2.3.1 合成方法与表征52-55
• 2.4 含有不同电子给体的第二类光敏剂的合成与表征55-61
• 2.4.1 合成方法与表征57-61
• 2.5 本章小结61-63
• 3 空穴传输材料的设计合成_与表征63-69
• 3.1 引言63-64
• 3.2 相关化合物的合成路线64-65
• 3.3 相关化合物的合成与表征65-68
• 3.4 本章小结68-69
• 4 染料敏化太阳能电池的组装、性能测试方法及光敏剂用于染料敏化太阳能电池的光电性能研究69-94
• 4.1 引言69
• 4.2 染料敏化太阳能电池的组装与性能测试69-73
• 4.2.1 试剂、材料及仪器69
• 4.2.2 液态染料敏化太阳能电池的组装方法69-71
• 4.2.3 固态染料敏化太阳能电池的组装方法71-72
• 4.2.4 电池的性能测试72-73
• 4.3 光敏剂及空穴传输材料光物理与电化学性能的测试方法73
• 4.3.1 光敏剂及空穴传输材料的光物理性能测试73
• 4.3.2 光敏剂的电化学性能测试73
• 4.3.3 密度泛函理论计算73
• 4.4 以三苯胺为电子给体第二类光敏剂的光物理、电化学及光伏性能测试73-83
• 4.4.1 紫外可见吸收光谱74-76
• 4.4.2 电化学性能76-78
• 4.4.3 密度泛函理论计算78-79
• 4.4.4 染料敏化太阳能电池的光电转换性能79-82
• 4.4.5 电化学阻抗测试82-83
• 4.5 含有不同电子给体第二类光敏剂的光物理、电化学及光伏性能测试83-92
• 4.5.1 紫外可见吸收光谱83-85
• 4.5.2 电化学性质85-87
• 4.5.3 密度泛函理论计算87
• 4.5.4 电池的光电转化性能测试87-91
• 4.5.5 电化学阻抗测试91-92
• 4.6 本章小结92-94
• 5 空穴传输材料的光物理、电化学及应用于固态染料敏化太阳能电池的光伏性能研究94-101
• 5.1 引言94
• 5.2 空穴传输材料的光物理性能94-97
• 5.3 空穴传输材料的电化学性能97-98
• 5.4 空穴传输材料应用于固态染料敏化太阳能电池的光伏性能98-100
• 5.5 本章小结100-101
• 结论与展望101-103
• 参考文献103-120
• 附录1 名词缩写诠释120-121
• 附录2 目标化合物和参比化合物的结构及名称121-122
• 创新点摘要122-123
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况123-124
• 致谢124-125
• 作者简介125-126

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