染料敏化太阳能电池敏化剂的合成及其性能研究

【摘要】：当今世界，能源和环境问题日益突出，各国都在不断寻求和开发清洁的和相对可持久利用的新能源，在这样的背景下太阳能电池应运而生。自1991年以来，染料敏化太阳能电池受到越来越多的科研工作者的关注，而染料敏化剂更是研究的重点之一。 基于当前有机染料敏化剂大部分是D-π-A结构，本论文按照这样的思路设计合成了三种有机染料MX11-13，考虑到三苯胺是良好的供电基团以及增强整个分子的溶解性等各方面因素，采用联有两个己氧基的三苯胺基团作为供电基团；π共轭桥我们选择苯基和苯酚的衍生物，这是此三种染料的设计创新点，也是本论文考察的重点，即不同共轭桥联的染料的性能差异及原因。 本论文以苯酚，对二苯甲醛，三苯胺，对碘苯酚等为原料，经过氧化、还原、NBS溴代、Vilsmeier-Haack反应，wittig反应，以及Knoevenagel缩合等反应，成功合成出三种新型染料MX11-13，并对三种目标化合物以及未见文献报道的中间体分别进行了红外、熔点、氢谱、碳谱和质谱等表征。对三种有机染料的光学性能、电化学性能以及光伏性能等进行了细致的研究。 三种染料MX11-13在400 nm~600 nm之间均有两个特征吸收峰，在可见光区的最大吸收峰值分别位于453，453和472 nm处，这是染料分子结构中烷氧取代基的存在和分子几何结构共同作用的结果；并且三种染料的HOMO–LUMO的能级与TiO2能级相匹配，这些表明该三种染料具备作为染料敏化太阳能电池敏化剂的基本条件。通过对染料MX11-13的DSSC光伏性能的研究，得出三者的光电转化效率，其中MX13的光电转化效率(η)达到了7.02%，短路电流密度(Jsc)为15.50 mA cm-2,开路电压(Voc)为697 mV,填充因子(ff)为0.65，其效率高于MX11和MX12。三种染料的电荷转移阻抗MX11 (54 ) MX13 (82 ) MX12 (151 )，表明电子复合降低ηcoll从而导致IPCE值降低。染料聚集是MX11效率低的另一原因，通过加入CDCA可以使其得到改善。 本论文还设计了两种钌基染料，多吡啶钌染料因其结构在可见光区有较宽的吸收光谱，并且有良好的激发反应活性和氧化还原性、氧化态和激发态寿命较长且保持着目前最高的光电转换效率。由于合成路线需要摸索和时间的关系，本论文只完成了部分合成工作。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 染料敏化剂 光电转换效率 光伏性能
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 引言9-10
• 第一章 文献综述10-25
• 1.1 太阳能概述10
• 1.2 太阳能电池的发展过程及其分类10-12
• 1.3 染料敏化太阳能电池（DSSC）12-14
• 1.3.1 DSSC 基本结构12
• 1.3.2 DSSC 工作原理12-13
• 1.3.3 DSSC 性能的评价指标13-14
• 1.4 DSSC 的光阳极14-15
• 1.5 DSSC 的对电极15-16
• 1.6 DSSC 的电解质16
• 1.7 染料敏化剂16-24
• 1.7.1 染料敏化剂须满足的条件16-17
• 1.7.2 染料敏化剂的分类及发展状况17-24
• 1.8 本文研究的内容24-25
• 第二章 染料的合成25-42
• 2.1 原料、试剂与仪器、设备25-26
• 2.2 试剂的纯化26-27
• 2.3 有机染料的合成27-37
• 2.3.1 合成路线27-29
• 2.3.2 具体的合成步骤29-37
• 2.4 钌基染料的合成37-41
• 2.5 本章小结41-42
• 第三章 DSSC 的制备及其性能测试42-55
• 3.1 太阳能电池的制备42-44
• 3.2 染料敏化太阳能电池的测试44-46
• 3.3 测试结果与讨论46-54
• 3.3.1 染料 MX11-13 光谱特征46-48
• 3.3.2 染料 MX11-13 电化学特征48-49
• 3.3.3 染料 MX11-13 光伏性能特征49-50
• 3.3.4 短路电流密度和表面电子复合、LUMO、染料聚集的关系50-53
• 3.3.5 密度泛函量化计算53-54
• 3.4 本章小结54-55
• 第四章 结论55-57
• 参考文献57-62
• 发表论文和科研情况说明62-63
• 致谢63-64

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