含苯融噻吩桥（BDT）的光敏染料的合成及其光伏性能研究

【摘要】：目前，能源的需求量越来越大。太阳能作为一种可再生能源，取之不尽，用之不竭。同时，太阳能也是一种巨大的无污染能源。太阳能电池设计简便、生产成本低、方便大面积制备，近年来成为人们关注的热点。比起传统的硅太阳能电池，染料敏化太阳能电池被看做是可再生清洁能源最有前景的选择。它的成本低，有较大的光电转化效率。为了得到更高的光电转化效率，大量的研究关注于新的光敏染料的设计和合成。本文设计合成了一系列含有苯融噻吩结构的有机染料，并对其光、电化学性质以及它们在DSSC中的应用做出了研究。主要内容包括以下几个方面。 1.本论文设计合成了四种新型的含有BDT结构的染料敏化剂。这四种染料都以己氧基三苯胺为供电基团，以BDT，环氧噻吩连接BDT，融噻吩连接BDT，BDT连接噻吩作为共轭桥，氰基乙酸为电子受体，形成D-π-A或D-π-π-A型的有机敏化染料。选用BDT作为基本构件，经过NBS或Br_2溴化，Suzuki偶联反应，Stille偶联反应，Vilsmeier-Haack反应以及Knoevenagel缩合反应等最后得到目标化合物。对合成过程中的未见报道中间体和最终的目标产物进行结构表征：包括红外、熔点、碳谱、氢谱、质谱等。 2.研究了染料XS32-34在溶液中以及在TiO2膜电极上的光学性质和电化学性质。三种染料均在波长350-550 nm处有很强的可见光吸收带，其最大吸收峰的波长分别位于472，483和502 nm，且摩尔消光系数分别是22×103, 39×103和39×103 M-1·cm-1,说明染料可以很好地捕获到可见光区中的光；三种染料的HOMO和LUMO能级与二氧化钛和电解液能级相匹配，符合作为敏化剂所必要的条件。 3.对三种染料XS32-34所对应DSSC进行光伏性能测试。包括电流密度-电压（JSC-V）曲线以及单色光光电转化效率（IPCE）值。其中基于染料XS32的DSSC的光电转化效率达到5.68%，开路电压713mV，光电流密度11.9 mA cm-2，IPCE值的最高值89%出现在497nm处，是这三种染料中最优的。本文对测试结果进行了讨论，并通过电化学交流阻抗测试，膜表面染料覆盖率的测试以及B3LYP/6-31+G(d)水平下染料分子进行密度泛函(DFT)的计算来分析出现这种结果的原因。 4.为了提高DSSC的光电转换效率，对电池制备过程中浸泡染料的溶剂，TiO2吸附染料的时间，以及染料溶液中的共吸附剂(鹅去氧胆酸)等条件进行了优化，确定最佳的染料电池的制备条件。并在文章最后对电池的稳定性进行了测试。 【关键词】：敏化染料太阳能电池 染料敏化剂 苯融噻吩（BDT） 光伏性能 光电学性质
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 文献综述10-28
• 1.1 太阳能电池的研究现状及种类10-12
• 1.2 染料敏化太阳能电池（DSSC）概述12-14
• 1.2.1 DSSC 的器件结构12-13
• 1.2.2 DSSC 的工作原理13-14
• 1.3 太阳能电池的评价参数14-16
• 1.3.1 单色光光电转换效率（IPCE）14
• 1.3.2 短路光电流密度（Jsc）14
• 1.3.3 开路电压（Voc）14
• 1.3.4 填充因子（ff）14-15
• 1.3.5 光电转换效率（η）15
• 1.3.6 DSSC 的光电流密度-电压曲线15-16
• 1.4 染料敏化太阳能电池的电极16-17
• 1.4.1 光阳极16-17
• 1.4.2 光阴极17
• 1.5 染料敏化太阳能电池的电解质17-18
• 1.6 敏化染料18-27
• 1.6.1 光敏染料的种类18-25
• 1.6.2 光敏染料与二氧化钛的相互作用25-26
• 1.6.3 含 BDT 结构聚合物26-27
• 1.7 选题依据及研究内容27-28
• 第二章 实验部分28-40
• 2.1 原料试剂与仪器28-30
• 2.2 试剂提纯方法30
• 2.3 合成路线30-32
• 2.3.1 目标产物的合成路线30-31
• 2.3.2 几种重要中间体的合成路线31-32
• 2.4 化合物的合成方法及表征32-40
• 第三章 DSSC 制备、电池性能测试以及结果讨论40-53
• 3.1 DSSC 制备及性能测试40-42
• 3.1.1 制备 DSSC 的方法40-41
• 3.1.2 DSSC 的测试41-42
• 3.2 染料的光学性能测试42
• 3.3 染料的电化学性能测试42
• 3.4 测试结果讨论42-52
• 3.4.1 染料 XS32-34 的光谱特性43-45
• 3.4.2 染料 XS32-34 的电化学性能45-46
• 3.4.3 太阳能电池的光伏性能46-50
• 3.4.4 电池制备条件的优化50-52
• 3.5 本章小结52-53
• 第四章 结论53-54
• 参考文献54-58
• 发表论文和科研情况说明58-59
• 致谢59-60

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