【摘要】：隨著傳統(tǒng)化石能源的耗盡,人類正急切地尋找可替代的新能源。太陽(yáng)能作為一種取之不盡用之不竭的新能源,具有巨大的優(yōu)勢(shì),成為人們的研究熱點(diǎn)。而染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSCs)作為太陽(yáng)能利用的一種形式,具有利用效率高、成本低廉、制作工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。在太陽(yáng)能眾多的部件當(dāng)中,染料敏化劑是最為重要的部分,它對(duì)電池效率起到重要的決定作用。如何開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)合成高效穩(wěn)定實(shí)用的染料敏化劑己成為DSSCs非常重要的研究領(lǐng)域。本論文創(chuàng)新性地利用對(duì)咔唑單元的巧妙復(fù)雜的結(jié)構(gòu)修飾,將其分別引入到染料敏化劑的給體、共軛橋鏈上,并研究了染料的光物理、光化學(xué)、量子化學(xué)性質(zhì)和電池的光伏性能等 第一章,簡(jiǎn)要介紹了染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSCs)產(chǎn)生的背景,以及電池的結(jié)構(gòu)及其工作原理,評(píng)價(jià)性能指標(biāo),電池的各大組成部分的發(fā)展概述,并詳細(xì)介紹了目前各類染料的研究歷史和研究進(jìn)展,并在此基礎(chǔ)上提出了課題的設(shè)計(jì)思路和研究?jī)?nèi)容。 第二章,首次系統(tǒng)性地合成了6個(gè)以二苯并五元雜環(huán)單元和五元雜環(huán)單元作為橋鏈的染料敏化劑TBS1-TBS6和一個(gè)參比染料TPS,考察了二苯并五元雜環(huán)和五元雜環(huán)引入對(duì)電池光電性能和光伏性能影響。二苯并五元雜環(huán)單元的引入,扭曲了染料分子的結(jié)構(gòu),降低了熒光造成的能量損失,抑制了染料的聚集和分子間的電荷復(fù)合,從而提高了電池的開(kāi)路電壓。含二苯并呋喃或二苯并噻吩單元的染料效率要比參比染料TPS的效率要低,究其原因是吸收光譜較窄,影響了光捕獲性能。另一方面,含二苯并呋喃或二苯并噻吩橋鏈,由于缺少咔唑附帶的烷基鏈,電荷復(fù)合速率相對(duì)較快,造成其對(duì)應(yīng)電池的電壓比含咔唑的電池的電壓要低。在AM1.5太陽(yáng)光下,染料TBS4獲得了最高的效率5.91%,遠(yuǎn)高于參比染料TPS(4.24%)。在以乙腈作為染浴溶劑,更厚的Ti02膜的優(yōu)化條件下,TBS4電池器件短路電流密度為13.89mA cm-2,開(kāi)路電壓為0.77V填充因子為0.66,效率則大幅度地提高至7.09%。 第三章,為了考察是剛性化的電子給體好還是非剛性化的電子給體好,成功合成和表征了五個(gè)以剛性化的三芳胺為給體的染料DIA1-DIA5和以三苯胺為給體的參比染料TPS。研究表明,與三苯胺相比,新給體大大提高了染料的摩爾消光系數(shù)(DIA1-DIA5為5.0×104～8.1×107M-1cm-1, TPS僅為2.5×104M-1cm-1)。較高的摩爾消光系數(shù)使得染料DIA2,DIA3和DIA5敏化電池表現(xiàn)出更高的短路電流密度。電子給體通過(guò)巧妙的分子設(shè)計(jì),具有良好的剛性和共軛性能良好的大π平面,有效地分散了染料激發(fā)態(tài)正電荷,提高了電子壽命；另外,給體上的兩個(gè)乙基也可以在一定程度上抑制染料在TiO2膜上的聚集。以上兩點(diǎn)降低了電池電荷復(fù)合速率,提高電池的開(kāi)路電壓。這可以通過(guò)DIA2和DIA3器件的較高的電池開(kāi)路電壓得到充分體現(xiàn)。在這幾個(gè)染料當(dāng)中DIA3表現(xiàn)出了最高的光電轉(zhuǎn)換效率,達(dá)6.50%。對(duì)該電池的進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)現(xiàn)在AM1.5標(biāo)準(zhǔn)光源下,短路電流密度為14.05mA cm-2,開(kāi)路電壓為0.75V,填充因子為0.77,效率則大幅度地提高至8.09%。 第四章,成功合成表征了四個(gè)以二氫吲哚咔唑?yàn)樾码娮咏o體,以噻吩,并噻吩,苯并噻二唑?yàn)楣曹棙蜴?氰基乙酸為受體的染料DDC1-DDC4和一個(gè)以咔唑?yàn)榻o體的參比染料CBZ,考察了電子給體給電子能力增強(qiáng)和π體系擴(kuò)大對(duì)染料光電性質(zhì)、光穩(wěn)定性能和電池光伏性能造成的影響。結(jié)果表明新給體較大有效的共軛,使DDC1-DDC4具有較高的摩爾消光系數(shù),這增強(qiáng)了染料對(duì)光的捕獲。對(duì)比新舊給體染料DDC1和CBZ,發(fā)現(xiàn)無(wú)論是從短路電流上還是從開(kāi)路電壓上,都表明新給體相對(duì)于咔唑具有一定的優(yōu)勢(shì)。在這幾個(gè)染料當(dāng)中,染料DDC4由于具有較寬的吸收光譜和往Ti02導(dǎo)帶高效的電子注入效率,其敏化電池短路電流密度為14.81mAcm-2,開(kāi)路電壓為0.688V和填充因子為0.69,光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)7.03%。為了研究染料的光熱穩(wěn)定性能,測(cè)試了三個(gè)染料隨光照時(shí)間變化和溫度變化的在膜上的吸收光譜。光穩(wěn)定性測(cè)試表明,新給體的光穩(wěn)定性能要明顯好于咔唑,苯并噻二唑要好于并噻吩和噻吩,而并噻吩則要好于噻吩。染料DDC4由于含有苯并噻二唑和并噻吩單元而在這五個(gè)染料中具有最好的光穩(wěn)定性。熱穩(wěn)定性測(cè)試表明,所有染料熱穩(wěn)定性都很好。 第五章,在第四章化合物基礎(chǔ)橋鏈上引入烷基鏈并延長(zhǎng)π鏈單元,合成了三個(gè)染料DDC6-DDC8,考察了烷基鏈引入和π鏈單元延長(zhǎng)對(duì)染料性能和電池性能造成的影響。研究表明三個(gè)染料具有較高的摩爾消光系數(shù)(4.2～5.3M-1cm-1),較寬的吸收光譜,這貢獻(xiàn)了三個(gè)染料敏化電池的良好的IPCE表現(xiàn),并最終使電池產(chǎn)生了較高的短路電流密度。其中染料DDC8具有最寬的吸光范圍,其吸收光譜一直延展到近紅外光區(qū),其IPCE光譜邊帶值長(zhǎng)達(dá)850nm。為了考察膜厚對(duì)電池性能造成的影響,測(cè)試了兩種不同厚度的散射層的電池性能。結(jié)果表明,當(dāng)電池制作采用更厚的散射層時(shí),三染料器件的短路電流密度升高,開(kāi)路電壓降低。這是因?yàn)檩^厚的散射層增加了染料的吸附量,但是卻增加了暗電流。在三個(gè)染料當(dāng)中,DDC7表現(xiàn)出最高的效率,當(dāng)散射層較薄時(shí),其效率為6.53%。當(dāng)散射層更厚時(shí),電池的效率上升到7.49%。為了研究染料的光穩(wěn)定性能,測(cè)試了三個(gè)染料隨光照時(shí)間變化的在膜上的吸收光譜。結(jié)果顯示三個(gè)染料光穩(wěn)定性相當(dāng)?shù)暮谩Ｈ玖瞎庹涨昂?吸收峰位置幾乎無(wú)任何變化,ICT吸收峰吸光度變化率均不超過(guò)3.1%。苯并噻二唑降低了電子給體的電荷密度,因此提高了染料光穩(wěn)定性。這使得DDC8的光穩(wěn)定性要好于染料DDC7和DDC6。
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【學(xué)位授予單位】：華東理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM914.4;O626

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2270688