应用于染料敏化太阳能电池芳胺类染料的设计与合成

【摘要】：以煤炭、石油、天然气等为主的传统能源即将消耗殆尽,与此同时,由于这些传统能源的大量使用,导致环境污染越来越严重,极端气候频繁发生,因此开发利用新能源迫在眉睫。太阳能因其清洁而又不受地域限制等优点而备受关注。在太阳能利用的众多方式中,染料敏化太阳能电池因其制备工艺简单、制作成本低等优点,引起了科研工作者的广泛兴趣。光敏染料是染料敏化太阳能电池的核心部分,它是影响光电转换效率的决定性因素之一。光敏染料捕获太阳光之后转变为激发态,处于激发态的染料能将电子转移到半导体的导带中,同时激发态染料变为氧化态,能从电解质中迅速得到电子,还原为染料基态,完成循环。纯有机染料因其结构设计灵活,易于制备等优点逐渐成为贵金属光敏染料的替代品,成为近年来的研究热点。 本论文共设计合成了8个纯有机光敏染料,利用核磁共振氢谱、质谱对他们进行了结构表征,并测试了染料的光物理、电化学性质,以及染料应用于太阳能电池方面的光电性能。同时,本论文对染料的结构进行了密度泛函的理论计算,从理论上对染料进行了研究。 光敏染料的经典设计结构为供电子基团-共轭桥键-吸电子基团,即D-π-A结构。本论文对上述经典结构进行了拓展,设计了一种新的D-π-A-A结构,即在经典结构的基础上又引入了一个吸电基团,希望拓宽染料的吸收光谱范围减少暗电流的生成。论文还设计合成了一类苊并吡嗪类染料,通过他们主要讨论了二苯胺与三苯胺作为供电基团,对两者之间供电能力进行比较。 结果表明,在D-π-A-A型染料中,由于新引入的吸电基团与原有的共轭结构存在一定的扭转,共轭平面并没有得到很好的拓展,所以吸收光谱几乎没有拓宽。在这一类染料中,它们的效率都不高,但是随着新引入吸电基团吸电性的增强,染料的分子的光电流有了明显的提高,效率随之增加,这说明D-π-A-A的设计思想是可行的,可以减少暗电流的生成。在苊并吡嗪类染料中,供电基三苯胺相比于二苯胺虽然多一个共轭苯环,拓展了共轭体系,但是它使得分子共轭平面发生了扭转,电子并没有得到很好的传递,供电能力比二苯胺稍弱。通过对染料的结构进行密度泛函理论计算,证明染料分子受到激发后确实能够实现很好的分子内电荷分离。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 纯有机光敏染料 三苯胺 D-π-A-A结构
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 引言9-10
• 1 文献综述10-31
• 1.1 太阳能电池的介绍10-12
• 1.1.1 太阳能10
• 1.1.2 太阳能电池的发展10-12
• 1.2 染料敏化太阳能电池的结构12-25
• 1.2.1 多孔纳米晶薄膜(光阳极)12-13
• 1.2.2 电解质13
• 1.2.3 光敏染料13-25
• 1.3 染料敏化太阳电池电池的工作原理25-27
• 1.4 染料敏化太阳电池的主要输出参数27-29
• 1.5 染料在TiO_2表面的吸附方式29
• 1.6 选题依据29-31
• 2 实验部分31-42
• 2.1 试剂与测试仪器31
• 2.2 化合物Y1的合成与表征31-32
• 2.2.1 化合物1的合成31
• 2.2.2 化合物Y1的合成31-32
• 2.3 化合物Y2的合成与表征32-34
• 2.3.1 化合物2的合成32-33
• 2.3.2 化合物3的合成33
• 2.3.3 化合物4的合成33
• 2.3.4 化合物Y2的合成33-34
• 2.4 化合物Y3的合成与表征34-36
• 2.4.1 化合物5的合成34
• 2.4.2 化合物6的合成34-35
• 2.4.3 化合物7的合成35-36
• 2.4.4 化合物Y3的合成36
• 2.5 化合物Y4的合成与表征36-37
• 2.5.1 化合物8的合成36-37
• 2.4.2 化合物Y4的合成37
• 2.6 化合物Y5的合成与表征37-38
• 2.6.1 化合物9的合成37-38
• 2.6.2 化合物Y5的合成38
• 2.7 化合物Y6的合成与表征38-40
• 2.7.1 化合物10的合成38
• 2.7.2 化合物Y6的合成38-40
• 2.8 化合物Y7的合成与表征40
• 2.8.1 化合物11的合成40
• 2.8.2 化合物Y7的合成40
• 2.9 化合物Y8的合成与表征40-41
• 2.9.1 化合物12的合成40-41
• 2.9.2 化合物Y8的合成41
• 2.10 本章小结41-42
• 3 D-π-A-A型染料在DSSC上的应用研究42-51
• 3.1 染料的紫外可见吸收光谱42-43
• 3.1.1 紫外-可见吸收光谱测定方法42
• 3.1.2 染料的紫外-可见吸收光谱42-43
• 3.2 染料的氧化还原电位43-45
• 3.2.1 电化学性能测试44
• 3.2.3 基态和激发态氧化还原电位的计算44-45
• 3.3 光电性能45-50
• 3.3.1 J-V曲线的测定方法45
• 3.3.2 对J-V曲线光电性能的优化45-47
• 3.3.3 染料的J-V曲线47-48
• 3.3.4 光电流工作谱测定48
• 3.3.5 密度泛函理论计算48-50
• 3.4 本章小结50-51
• 4 染料Y3的测试51-54
• 4.1 染料Y3在溶液及TiO_2膜上的紫外可见光谱51
• 4.2 染料Y3的电化学测试51-52
• 4.3 染料Y3的密度泛函的理论计算52-53
• 4.4 染料Y3的光电性质的讨论53
• 4.5 本章小结53-54
• 5 苊并吡嗪类染料在染料敏化太阳能电池方面的研究54-59
• 5.1 染料Y5与K的紫外可见吸收光谱54-55
• 5.2 染料Y5与K的氧化还原电位55-56
• 5.3 染料Y5与K的光电性能56-58
• 5.3.1 对J-V曲线光电性能的优化56-57
• 5.3.2 染料的J-V曲线57-58
• 5.3.3 染料Y5与K的密度泛函理论计算58
• 5.4 本章小结58-59
• 6 以溴为链接基团的染料在染料敏化太阳能电池方面的探讨59-61
• 结论61-62
• 参考文献62-67
• 附录 论文中重要化合物的核磁谱图(~1HNMR)67-75
• 攻读硕士期间发表学术论文情况75-76
• 致谢76-77

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