D-p-A结构Type Ⅱ双酚染料在染料敏化太阳能电池中的应用

【摘要】：染料敏化太阳能电池(DSSCs)作为新一代光伏技术,近年来得到了世界范围的广泛关注。其中,光敏染料捕获太阳光并将光致激发的电子注入到二氧化钛(TiO2)导带是决定DSSCs的光伏性能的步骤之一。光敏染料因电子注入方式的不同分为Type I和Type II染料。Type II双酚类染料与TiO2电极的键合在TiO2导带附近形成新的能态,这种光致激发的电子由染料最高占有轨道(HOMO)直接跃迁至该能态而注入TiO2电极的方式被称为Type II注入。 本文设计并成功合成与表征了两种具有D-π-A结构的新型Type II双酚染料,分别以三苯胺及具有丁氧基的三苯胺衍生物为供电子体,噻吩为桥基,3-氰基邻苯二酚为吸电子体及吸附基团,并应用于染料敏化太阳能电池。研究发现,该类染料获得了相比之前报道更高的短路电流密度和IPCE值,经染料吸附时间,CDCA, TiO2电极膜厚方面的优化,得到最高转换效率为1.62%。通过在供电子体部分引入丁氧基不仅可以使染料的吸收光谱进一步拓宽,而且提高了染料的HOMO能级进而提高了电池的短路电流密度,另外,通过一定程度地对电荷复合的抑制而相对提高了填充因子。Type II双酚染料与TiO2电极键合是通过双酚羟基在TiO2表面与Ti原子的双齿螯合,而本文在吸电子体部分引入氰基,不仅可以稳定空气中易被氧化的双酚羟基,也可以增加其酸性,增强其与TiO2电极的键合,稳定吸附,同时还可以增强染料吸电子端的吸电子性,易于电子注入。 鉴于Type II双酚光敏染料的特点,本文通过光伏性能测试,紫外-可见吸收光谱,电化学阻抗等方法考察了电极敏化时间即染料吸附量及共吸附剂CDCA对电池性能的影响。研究发现,该类电池的开路电压和短路电流密度随染料敏化时间呈相反的变化趋势,反映了本文设计的染料敏化的电池的转换效率仍受Type II染料敏化太阳能电池中常出现的由电荷复合造成的两者间的相互制约情况的限制。因此,后续设计更优的TypeⅡ光敏染料需充分考虑这一限制,使开路电压与短路电流密度两者能互不影响地都得到改善。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 Type Ⅱ双酚光敏染料 电荷复合
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 引言9-10
• 1 文献综述10-27
• 1.1 新能源利用与太阳能电池发展10-13
• 1.1.1 新能源发展与光伏发电10-11
• 1.1.2 太阳能电池及其发展11-13
• 1.2 染料敏化太阳能电池及其发展现状13-17
• 1.2.1 电池的结构和工作原理13-15
• 1.2.2 反映DSSCs光伏性能的主要参数及测试曲线15-17
• 1.3 Type Ⅰ和Type Ⅱ光敏染料17-26
• 1.3.1 Type Ⅰ和Type Ⅱ光敏染料在TiO_2上的吸附方式18-19
• 1.3.2 Type Ⅰ光敏染料的特点及发展现状19-23
• 1.3.3 Type Ⅱ光敏染料的特点及发展现状23-26
• 1.4 选题依据26-27
• 2 染料的设计、合成与表征27-35
• 2.1 仪器与试剂27-28
• 2.1.1 实验药品27-28
• 2.1.2 实验设备28
• 2.2 试剂的处理28-29
• 2.2.1 四氢呋喃(THF)的纯化29
• 2.3 目标化合物的设计、合成与表征29-35
• 2.3.1 分子结构设计29
• 2.3.2 光敏染料DH1和DH2合成路线29-30
• 2.3.3 光敏染料DH1和DH2的合成与表征30-35
• 3 光敏染料的性能研究及电池的组装测试35-39
• 3.1 光敏染料的光物理、电化学性能测试35-36
• 3.1.1 紫外-可见吸收光谱测试35
• 3.1.2 电化学性能测试35-36
• 3.2 太阳能电池的组装36-38
• 3.2.1 所用试剂、材料与仪器36
• 3.2.2 DSSCs的组装36-38
• 3.3 太阳能电池的测试38-39
• 3.3.1 电池的光电转换性能测试38
• 3.3.2 电池的IPCE光谱测试38
• 3.3.3 电池的电化学阻抗测试38-39
• 4 结果与讨论39-54
• 4.1 光敏染料的合成39
• 4.2 紫外-可见吸收光谱39-41
• 4.3 电化学性质41-44
• 4.4 染料吸附量对DSSCs光伏性能的影响44-48
• 4.5 CDCA对染料吸附及DSSCs光伏性能的影响48-50
• 4.6 TiO_2膜厚对DSSCs光伏性能的影响50-51
• 4.7 染料DH1及DH2敏化电池的光电转换性能51-54
• 结论54-55
• 参考文献55-64
• 附录1 质谱谱图64-68
• 附录2 核磁谱图68-71
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况71-72
• 致谢72-73

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