含邻菲咯啉衍生物或8-羟基喹啉衍生物的主链聚合金属配合物设计合成及其光伏性能研究

【摘要】：能源资源是新世纪世界争夺的焦点，它将成为世界冲突的首要原因。传统的化石能源面临资源枯竭还会产生严重的环境污染等问题，这不利于改善民生，也不利于提高人民的生活水平。因此发展无污染的清洁可再生能源是解决能源危机及环境问题的重要举措。 染料敏化太阳能电池做为可再生能源利用的重要组成部分，自1991年光电转换效率大于7%的电池问世以来，掀起了科学家们的研究热潮，目前其能量转换效率已经可以与硅太阳能电池相媲美了。预计在不久的将来就会实现工业化生产从而进入到商业化阶段，但该类电池要广泛应用，还需要提高器件的使用寿命、开发出低成本无毒的染料等。在文献调研的基础上，考虑到有着D-π-A体系的有机光敏化染料有着高的摩尔吸光率、原料易得、易于结构修饰、能隙较低等优点，而金属配合物类的染料有着较高的能量转换效率以及良好的热稳定性能，因此将金属配合物嵌入到有机分子链中，理论上可以制备出兼具配合物染料与有机染料各自优点的新型光敏染料。 聚合金属配合物具有良好的光热稳定性以及较宽的吸光范围，该类配合物在发光器件中已经得到了深入的研究，但是在太阳能电池领域的研究目前还只停留在探索阶段。因此，本文将咔唑、烷基芴、烷氧苯等不同有机单元通过反应接入到羟基喹或邻菲咯啉衍生物的金属配合物上形成两系列主链型聚合物金属配合物，然后将其做为染料敏化剂应用于染料敏化太阳能电池器件中，研究其光伏性能，有望得到稳定性能好、开路电压高、能量转换效率高的染料，这对于拓宽该领域的发展有着重要意义。 研究表明制得的目标染料（P1、P2、P3、P4；PKLB-Zn、PKLW-Zn、PKLB-Cd和PKLW-Cd）有着良好的热稳定性；它们的HOMO能级及LUMO能级均符合光敏剂的要求；含噻吩衍生物的P1、P2、P3和P4器件能量转换效率分别为0.63%、0.54%、0.735%和0.571%；含喹啉衍生物的PKLB-Zn、PKLW-Zn、PKLB-Cd和PKLW-Cd器件能量转换效率分别为2.17%、2.04%、2.45%和2.18%。基于它们的电池器件均具有较高的开路电压，且最高开路电压达0.745V（PKLW-Cd）。实验结果说明烷氧基苯是一类优异的供电基团，它在提高电池性能方面发着重要作用；原子半径较大的镉在提高电池性能方面要优于锌。这些研究结果为我们下一步的研究工作指明了方向，同时也表明这类新型的聚合金属配合物在染料敏化太阳能电池领域有一定的应用前景，这为开发新型染料敏化剂扩宽了思路。 【关键词】：染料敏化太阳能电池 光电材料 染料敏化剂 聚合金属配合物
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：O641.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-27
• 1.1 引言9
• 1.2 光伏电池的发展9-10
• 1.3 光伏电池的分类10-11
• 1.3.1 硅太阳能电池10
• 1.3.2 非硅半导体太阳能电池10
• 1.3.3 有机聚合物太阳能电池10
• 1.3.4 染料敏化太阳能电池10-11
• 1.4 染料敏化太阳能电池（DSSCs）11-14
• 1.4.1 染料敏化太阳能电池的结构及工作原理11-12
• 1.4.2 DSSCs 的主要工作参数12-14
• 1.5 染料敏化剂14-21
• 1.5.1 染料敏化剂的基本特征14
• 1.5.2 染料敏化剂的种类14-21
• 1.6 聚合金属配合物简介21-26
• 1.6.1 聚合金属配合物的简述21-22
• 1.6.2 聚合金属配合物的分类及应用22-26
• 1.7 本论文的设计思想与研究内容26-27
• 第2章 实验药品及测试方法27-29
• 2.1 主要实验药品27
• 2.2 主要测试设备及测试方法27-28
• 2.3 基于聚合金属配合物染料的 DSSCs 器件制作方法28-29
• 第3章 含邻菲咯啉衍生物的主链型聚合金属配合物设计合成及光伏性能研究29-45
• 3.1 引言29-30
• 3.2 实验部分30-34
• 3.2.1 中间体和聚合金属配合物的合成30-34
• 3.3 实验结果与讨论34-43
• 3.3.1 中间体及聚合金属配合物(P1-P4)的表征34-38
• 3.3.2 聚合金属配合物的分子量和热性能38-39
• 3.3.3 紫外吸收及荧光性能39-41
• 3.3.4 电化学测试及分析41-42
• 3.3.5 聚合金属配合物的光伏性能42-43
• 3.4 本章小结43-45
• 第4章 含 8-羟基喹啉和咔唑的主链型聚合金属配合物设计合成及光伏性能研究45-61
• 4.1 引言45-46
• 4.2 实验部分46-50
• 4.2.1 配体及聚合金属配合物的合成46-50
• 4.3 实验结果与讨论50-60
• 4.3.1 中间体及聚合金属配合物的表征50-54
• 4.3.2 聚合金属配合物的分子量和热性能54-56
• 4.3.3 紫外吸收及荧光性能56-57
• 4.3.4 电化学性能测试及分析57-58
• 4.3.5 聚合金属配合物的光伏性能58-60
• 4.4 本章小结60-61
• 第5章 总结与展望61-63
• 参考文献63-70
• 致谢70-71
• 个人简历71-72
• 攻读硕士学位期间发表论文情况72

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