三聚茚基非对称芳胺类有机染料的合成及光伏性能研究

【摘要】：染料敏化太阳能电池与硅光伏器件相比，由于染料敏化太阳能电池具有制造简单和成本低等优势而备受关注。在过去的二十年间，人们为了寻求新型高效有机光敏剂做了许多研究性实验，这都促进了染料敏化太阳能电池的发展。迄今为止，研究的所有光敏剂类型中，芳胺有机染料以10.3％的光电转换效率而被看成是目前染料敏化太阳能电池最具前景的光敏剂。 三芳胺为电子供体的有机染料具有以下优点：摩尔吸光系数高；有效抑制电子复合；防止聚集。基于以上原因本课题设计3种新型有机光敏染料，它们均以三聚茚修饰的非对称三芳胺为电子供体，以环氧噻吩（EDOT）为共轭桥，氰基乙酸为电子受体，形成D-π-A型有机敏化染料（M20、M21和M22）。着重考察染料结构对电池性能的影响。 M20分子结构的供电部分引入EDOT拓宽了供电部分的π共轭体系；M21和M22由于分子结构中分别引入对甲氧基联苯基和9,9-二丙基芴基降低了最高占有分子轨道（HOMO）与最低未占有分子轨道（LUMO）间的带隙，导致三种染料的分子内电荷转移（ICT）吸收峰波长（520nm、519nm和524nm）相比于M4（506nm）分别红移14nm、13nm和18nm。 三种染料的HOMO能级值均比[Co(phen)—3]2+/3+和I/I—3的氧化还原电势（0.62V和0.4V vs NHE）要正，这表明染料有足够的使染料被还原再生的驱动力，即能够被二价钴离子或碘负离子还原再生。三种染料的LUMO能级值（即染料的激发态氧化还原电位，分别是-1.22V、-1.11V和-1.11V vs NHE）均比TiO2导带的能级值（ECB，-0.5V vsNHE）更负，这表明染料可以提供足够的电子注入驱动力将激发态电子注入到TiO2导带。三种染料均符合DSCs的能级匹配原则。钴电解液中TBP含量对电池性能的影响也一并进行了研究。发现使用浓度为0.8M TBP的钴电解液的电池测出的性能最优。 研究还发现染料M21和M22引入强电子供体单元（如二丙基芴基和4-甲氧基联苯基）能明显提高光捕获能力、电池的短路光电流密度及光电转换效率。综合所有因素，测得新合成的3个染料中M22的性能最优，其光电转换效率PCE最高可达7.89%。 【关键词】：三聚茚 三芳胺给体 染料敏化太阳能电池 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】：2014
【分类号】：R914.5
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 文献综述10-17
• 1.1 太阳能电池的发展与分类10-11
• 1.2 染料敏化太阳能电池(DSCs)11-16
• 1.2.1 DSCs 结构11
• 1.2.2 DSCs 工作原理11-13
• 1.2.3 DSCs 评价指标13-15
• 1.2.4 DSCs 电解质15
• 1.2.5 DSCs 对电极15
• 1.2.6 DSCs 光阳极15
• 1.2.7 DSCs 敏化剂15-16
• 1.3 本论文研究内容16-17
• 第二章 实验的合成部分17-34
• 2.1 实验中所用的试剂与仪器17-19
• 2.2 纯化试剂19-20
• 2.3 合成染料20-33
• 2.3.1 染料 M20-M22 的合成路线21-22
• 2.3.2 染料 M20-M22 的具体合成步骤及化合物表征22-33
• 2.4 钴配合物的制备33
• 2.5 本章小结33-34
• 第三章 DSCs 的制备、测试及性能研究34-54
• 3.1 DSCs 的制备34-36
• 3.1.1 DSCs 制备的前期工作34-35
• 3.1.2 DSCs 的准备35-36
• 3.2 DSCs 的测试36
• 3.2.1 J-V 曲线测试和光电流工作谱测试36
• 3.2.2 IMVS 的测试36
• 3.3 染料的测试36-37
• 3.3.1 光谱测试36-37
• 3.3.2 染料电化学测试以及密度泛函理论计算37
• 3.4 染料 M4 和 M20 的测试结果与讨论37-46
• 3.4.1 光谱特征37-39
• 3.4.2 电化学特征39-40
• 3.4.3 DSCs 光伏性能研究40-43
• 3.4.4 4-叔丁基吡啶（TBP）对 DSCs 性能的影响43-46
• 3.5 染料 M21 和 M22 的测试结果与讨论46-53
• 3.5.1 光谱特征46-48
• 3.5.2 电化学性能48-49
• 3.5.3 计算分析49
• 3.5.4 光伏性能研究49-53
• 3.6 本章小结53-54
• 第四章 结论54-56
• 参考文献56-60
• 发表论文和科研情况说明60-61
• 致谢61-62

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