叶绿素衍生物敏化纳米TiO_2太阳能电池的研究

【摘要】：叶绿素属于卟啉类化合物广泛存在于自然界中,其具有π共轭大环结构,吸光范围覆盖紫外可见光区,在绿色植物的光合作用中起捕获与转移光能的作用。鉴于叶绿素具有独特的分子结构及光电性质,本文以叶绿素衍生物为染料,构建染料敏化太阳能电池(DSSC),并研究其光电性能。本文从竹叶中提取并改性叶绿素得到Chl-Mg Na,并对其光学及电化学性质进行了研究。结果表明Chl-Mg Na在紫外可见光区有较强吸收,并且其基态及激发态能级均符合DSSC的染料的能级要求。以Chl-Mg Na为染料构建DSSC,从染料浓度、介质p H值、敏化温度等方面对敏化条件进行优化。在最佳条件下敏化电极,并以银色锡箔纸为电池背景,取得了最高光电转化率,达到了0.44%。利用量子化学计算优化Chl-Mg Na及叶绿素结构。优化结果表明Chl-Mg Na具有羧基,更有利于吸附到Ti O2表面。将Chl-Mg Na酸化,去除中心Mg2+引进Zn2+等离子,得到Chl-Zn Na等衍生物。对所得衍生物的光学及电化学性质进行研究,结果表明中心金属离子对配合物的电子吸收光谱、荧光发射光谱及荧光量子效率均有较大影响,不同中心金属离子衍生物的基态电位和激发态电位也不同。光电测试结果表明,Zn的衍生物光电转化率最高,达到0.552%。通过对分子前沿轨道的分析,认为中心离子半径的不同,导致金属离子与卟啉共轭性存在差异,激发态电子云的离域范围不同,从而影响衍生物的荧光量子效率及电池的光电性能。对Chl-Mg Na进行改性,得到3种锰叶绿素衍生物。量子化学计算和荧光测试结果表明,锰叶绿素衍生物均具有较强的荧光性。其中,Chl-Mn H的光电性能最好,光电转化率比未改性Chl-Mg Na的高出2.3倍。尽管由分子前沿轨道图可知Chl-Mn H的电子云离域性较Chl-Zn Na的差,但光电性能却优于Chl-Zn Na,这是由于光电性能不仅与衍生物的电子云离域性有关,还与中心金属离子3d轨道电子数目有关。此外溶剂对光电池性能的影响进行了系统的研究,本文采用CH2Cl2为溶剂能获得最好的光电性能。 【关键词】：太阳能电池 叶绿素 光电性能 染料
【学位授予单位】：闽南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-31
• 1.1 太阳能的利用和太阳能电池的发展现状11-12
• 1.2 染料敏化太阳电池(DSSC)12-21
• 1.2.1 DSSC的结构和原理12-14
• 1.2.2 DSSC的表征技术14-16
• 1.2.3 光阳极16
• 1.2.4 对电极16-17
• 1.2.5 电解质17-18
• 1.2.6 染料的研究现状18-21
• 1.3 叶绿素染料的研究状况21-22
• 1.4 选题意义及研究内容22-24
• 参考文献24-31
• 第2章 叶绿素的提取及改性31-36
• 2.1 试剂及仪器31
• 2.2 叶绿素的提取及改性31-33
• 2.3 叶绿素a与叶绿素b含量的测定33-35
• 参考文献35-36
• 第3章 电池的构建与光电性能测试36-40
• 3.1 试剂与仪器36-37
• 3.2 染料敏化太阳能电池的构建37-38
• 3.3 电池的光电性能测试38
• 3.4 光谱测试38
• 3.5 光阳极对染料的吸附量测试38
• 3.6 电化学性质测试38-39
• 3.7 电化学阻抗测试39
• 3.8 红外光谱测试39-40
• 第4章 叶绿素镁钠的光电性能40-54
• 4.1 叶绿素镁钠的结构与红外表征40-41
• 4.2 叶绿素镁钠的光电性能41-50
• 4.2.1 紫外-可见吸收光谱41-42
• 4.2.2 荧光光谱和荧光量子效率42-43
• 4.2.3 电化学性质43-44
• 4.2.4 叶绿素镁钠的光伏性能44-49
• 4.2.5 密度泛函理论计算49-50
• 4.3 本章小结50-52
• 参考文献52-54
• 第5章 不同中心离子叶绿素衍生物的光电性能54-67
• 5.1 不同中心离子叶绿素衍生物的结构与红外表征54-56
• 5.2 不同中心离子叶绿素衍生物的光电性能56-63
• 5.2.1 紫外-可见吸收光谱56-58
• 5.2.2 荧光光谱和荧光量子效率58-59
• 5.2.3 电化学性质59-61
• 5.2.4 不同中心离子叶绿素衍生物的光伏性能61-62
• 5.2.5 密度泛函理论计算62-63
• 5.3 本章小结63-65
• 参考文献65-67
• 第6章 叶绿素锰酸与叶绿素锰酸盐的光电性能67-81
• 6.1 叶绿素锰酸与叶绿素锰酸盐的结构与红外表征67-68
• 6.2 叶绿素锰酸与叶绿素锰酸盐的光电性能68-78
• 6.2.1 紫外-可见吸收光谱68-70
• 6.2.2 荧光光谱及荧光量子效率70-71
• 6.2.3 电化学性质71-72
• 6.2.4 锰叶绿素酸及锰叶绿素酸盐的光伏性能72-77
• 6.2.5 密度泛函理论计算77-78
• 6.3 本章小结78-79
• 参考文献79-81
• 结论与展望81-83
• 致谢83-84
• 攻读硕士学位期间取得的科研成果84

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