含有噻唑衍生物的有机敏化染料的设计合成及光伏性能研究

【摘要】：含有噻唑及其衍生物的有机光电功能材料,由于其特有的n型半导体材料特性,广泛应用于各种光电领域,然而其在染料敏化太阳能电池中却鲜有应用。因此将此类拉电子基团应用到有机染料中,构造D-A-π-A结构的有机光敏染料,可以有效的降低染料分子的带隙并拓宽吸收,同时调节染料分子的LUMO/HOMO能级。因此,本论文围绕着噻唑类有机光敏染料作了一系列尝试,具体研究内容如下：(1)基于并噻唑基团的平面性和拉电子特性,设计并制备了四个含有不同烷氧基链长度的有机光敏染料,通过比较四个染料的光物理、电化学以及光伏性能,发现带有不同烷氧基链的染料由于具有极其类似的电子结构,因而表现出了非常接近的光物理和电化学性质。但是,相应的准固态染料敏化的太阳能电池却表现出了完全不同的电池性能,其中含有两个辛氧基的染料所组装的准固态电池在标准太阳光下获得了5.1%的能量转化效率。(2)基于氟代苯并噻二唑对LUMO能级的调控能力,设计并制备了单氟或双氟取代的苯并噻二唑类有机染料,分别获得了含有一个给电子基团和两个给电子基团的染料分子。当两个染料吸附于TiO2薄膜后,其吸收光谱均覆盖了整个可见光区,表现出了很好的光响应特性。然而,将两个染料组装于染料敏化太阳能电池中后,电池的电流较小,这是因为氟原子的引入拉低了LUMO能级,造成了电荷注入驱动力不足。因此,我们通过调节TiO2导带边能级以及调控电解质中添加剂的含量等手段,使电池性能得到了提升。(3)基于吡啶吡噻二唑对染料吸收光谱的调控能力,设计并制备了含有吡啶并噻二唑基团的有机染料。通过这样的分子设计成功地拓宽了染料分子的吸收,使其延伸到了近红外光区,以更加充分地吸收太阳光。然而由于吡啶并噻二唑过强的缺电子特性,造成其LUMO能级降低过多,使得染料在光照激发后产生的大量电子无法有效地注入到Ti02导带中。我们通过调节TiO2导带边能级来提高电荷注入效率,使得相应的染料敏化电池效率提高了8倍。 【关键词】：噻唑 有机染料 太阳能电池
【学位授予单位】：复旦大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 第一章 绪论7-32
• 1.1 引言7-8
• 1.2 染料敏化太阳能电池概述8-11
• 1.2.1 历史发展8-9
• 1.2.2 染料敏化太阳能电池的几个基本概念9-11
• 1.3 染料敏化太阳能电池的结构和工作原理11-13
• 1.3.1 染料敏化太阳能电池的结构11
• 1.3.2 染料敏化太阳能电池的工作原理11-13
• 1.4 纳米晶金属氧化物半导体电极13-16
• 1.5 对电极16-17
• 1.6 电解质17-18
• 1.7 染料敏化剂18-30
• 1.7.1 染料与金属氧化物半导体的表面吸附18-19
• 1.7.2 金属配合物染料19-23
• 1.7.3 有机染料23-30
• 1.8 本课题的提出和主要研究内容30-32
• 第二章 实验部分32-39
• 2.1 试剂与仪器32-35
• 2.2 TiO_2浆料的制备35-36
• 2.3 TiO_2光阳极的制备36
• 2.4 准固态/液态电解质的配制36-37
• 2.5 热解铂对电极的制备37
• 2.6 电池的封装37
• 2.7 电池的光电性能测试37
• 2.8 核磁与质谱表征测试37-38
• 2.9 紫外-可见吸收光谱和荧光发射光谱测试38
• 2.10 循环伏安曲线测试38-39
• 第三章 含有[5,4-d]并噻唑基团的有机染料的合成及其性能研究39-55
• 3.1 研究背景和染料设计思路39-40
• 3.2 实验部分 染料的合成及表征40-46
• 3.2.1 中间体2的合成40
• 3.2.2 中间体3的合成40-41
• 3.2.3 中间体4的合成41-42
• 3.2.4 中间体5a的合成42
• 3.2.5 中间体5b的合成42-43
• 3.2.6 中间体5c的合成43
• 3.2.7 中间体5d的合成43-44
• 3.2.8 染料FNE71的合成44
• 3.2.9 染料FNE72的合成44-45
• 3.2.10 染料FNE73的合成45
• 3.2.11 染料FNE74的合成45-46
• 3.3 染料的设计与合成46-47
• 3.4 紫外-可见吸收光谱47-49
• 3.5 电化学性质49-50
• 3.6 密度泛函理论计算50-51
• 3.7 染料的光伏性能51-54
• 3.8 本章小结54-55
• 第四章 基于氟代苯并噻二唑的有机染料的合成与光电性能研究55-69
• 4.1 研究背景和染料设计思路55-56
• 4.2 实验部分 染料的合成与表征56-60
• 4.2.1 中间体2的合成56
• 4.2.2 中间体3的合成56-57
• 4.2.3 中间体4的合成57
• 4.2.4 中间体5的合成57
• 4.2.5 中间体6的合成57-58
• 4.2.6 中间体7的合成58-59
• 4.2.6 中间体9和10的合成59
• 4.2.7 染料1F-DD的合成59-60
• 4.2.8 染料2F-SD的合成60
• 4.3 染料的设计与合成60-62
• 4.4 紫外-可见吸收光谱性质62-63
• 4.5 电化学性质63-64
• 4.6 染料的密度泛函理论计算64-65
• 4.7 染料2F-SD和1F-DD的光伏性能65-68
• 4.8 本章小结68-69
• 第五章 基于吡啶并噻二唑的有机染料的合成与光电性能研究69-80
• 5.1 研究背景和染料设计思路69
• 5.2 实验部分 染料的合成与表征69-72
• 5.2.1 中间体2的合成70
• 5.2.3 中间体3的合成70
• 5.2.4 中间体5的合成70-71
• 5.2.5 中间体7的合成71-72
• 5.2.6 染料PT的合成72
• 5.3 染料的设计与合成72-73
• 5.4 紫外-可见吸收光谱性质73-75
• 5.5 电化学性质75-76
• 5.6 染料的密度泛函理论计算76
• 5.7 染料PT的光伏性能76-79
• 5.8 本章小结79-80
• 总结80-81
• 发表文章情况81-82
• 致谢82-83
• 参考文献83-94

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