吲哚类光敏染料的合成及其光伏性能研究

【摘要】：太阳能是一种绿色无污染可再生能源，它工艺简单、生产成本低、并且不受地域的限制。瑞典的MichaelGrtzel教授在1991年首次报道的染料敏化太阳能电池，拉开了研究该种电池的序幕，与其它太阳能电池相比因其所具有的优越性近些年来受到世人的关注而得到迅速发展。而染料敏化剂是组成染料敏化太阳能电池的核心部分，是否能够设计和合成性能优良的敏化剂直接影响着电池光电转化效率的高低。本文设计合成了四种含有吲哚结构的光敏染料，将其制备成染料敏化太阳能电池（DSSCs）后研究了光化学性质和电化学性质。主要包括以下几个方面内容。 1.设计合成四种染料（XS41-44）分别以二丙基芴、对己氧基、对三叔丁基和三聚茚为供电基团，以丙烷基融噻吩作为共轭桥，氰基乙酸为电子受体，形成D-π-A结构的有机敏化染料。以易得化合物为原料，经过NBS或Br2溴化，Suzuki偶联反应，Stille偶联反应，Vilsmeier-Haack反应以及Knoevenagel缩合反应等得到目标化合物。并通过一些化学手段如红外、碳谱、氢谱、质谱等对相关化合物的结构进行表征。对四种染料XS41-44的光学性质和电化学性质进行了研究。符合作为敏化剂所必要的条件。 2.对四种染料XS41-44所制备的DSSCs进行光伏性能测试。开路电压（VOC）的顺序：XS42（621mV）XS43（633mV）XS41（670mV）XS44（725mV）,测试结果表明在分子结构中引入刚性结构可有效抑制二氧化钛表面所吸附染料间的电子复合。合成了两种新型小分子有机物TC1和TC2作为共吸附，并与CDCA做了比较，发现TC1和TC2在抑制电子复合方面优越于CDCA，还考察了三者的空间结构，实验结果证明TC2分子长度与四种染料分子长度能够更好的匹配，明显提到了VOC和短路电流密度JSC。 3.为了说明TC2共吸附剂在不减少短路电流密度（JSC）的情况下较大幅度提高了VOC的原因，本论文对电池的电化学阻抗、电子寿命、分子空间结构、TC1和TC2敏化染料在表面吸附情况进行了深入的研究，结果表明染料在二氧化钛的表面blocking效应取决于染料与共吸附剂的分子匹配程度，因此我们提出了对共吸附剂的分子设计不仅关注水平方向而且不能忽视纵向的显著影响。XS41和TC2共吸附后电池的JSC=16.1mAcm–2，VOC=770mV，填充因子（ff）为0.66，光电转化效率8.18％,这为今后设计出更高效吲哚类敏化染料奠定了基础。 【关键词】：吲哚类染料 共吸附剂 开路电压 电子复合 光电性质
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TQ613.9;TM914.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 文献综述9-23
• 1.1 太阳能电池的研究现状9-10
• 1.2 染料敏化太阳能电池（ DSSC ）概述10-12
• 1.2.1 染料敏化太阳电池 DSSC 的器件结构10
• 1.2.2 染料敏化太阳能电池的工作原理10-12
• 1.3 DSSC 的影响参数12-13
• 1.3.1 光电转换效率（ IPCE ）12
• 1.3.2 开路电压（ VOC ）12
• 1.3.3 短路光电流密度（JSC ）12
• 1.3.4 填充因子（ FF ）12
• 1.3.5 光电转换效率（Η）12
• 1.3.6 DSSC 的光电流密度 -电压曲线（I - V 曲线）12-13
• 1.4 染料敏化太阳能电池电极13-14
• 1.4.1 光阳极（工作电极）13-14
• 1.4.2 光阴极14
• 1.5 电解质14-15
• 1.6 染料敏化分子的研究15-20
• 1.6.1 染料敏化分子的种类15-20
• 1.6.2 光敏染料与 TIO2 的结合方式20
• 1.7 选题的依据及研究内容20-23
• 第二章 实验部分23-35
• 2.1 原料试剂与仪器23-25
• 2.2 试剂提纯方法25
• 2.3 合成路线25-35
• 2.3.1 目标产物 XS41 - XS44 的合成路线25-26
• 2.3.2 几种重要中间体的合成26-27
• 2.3.3 光敏染料 XS41 -XS44 的合成及表征27-35
• 第三章 DSSC 制备、电池性能测试以及结果讨论35-49
• 3.1 DSSC 制备及性能测试35-37
• 3.1.1 制备 DSSC35-36
• 3.1.2 DSSC 的测试36-37
• 3.2 染料的光学性能测试37
• 3.3 染料的电化学性能测试37-38
• 3.4 测试结果与讨论38-49
• 3.4.1 染料 XS41 - 44 的光谱特性38-40
• 3.4.2 染料 XS41 - 44 的电化学性能40-42
• 3.4.3 太阳能电池的光伏性能42-49
• 第四章 结论49-50
• 参考文献50-53
• 发表论文和科研情况说明53-54
• 致谢54-55

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