本文選題：染料敏化太陽電池　切入點：釕配合物敏化劑　出處：《中國科學技術(shù)大學》2017年博士論文

【摘要】：近年來,全球?qū)η鍧嵖沙掷m(xù)的新型能源需求不斷攀升,具有低價、高效且有規(guī)模產(chǎn)業(yè)化前景的染料敏化太陽電池(DSSC)受到研究人員的廣泛關(guān)注。作為DSSC中最核心的部分,染料敏化劑在寬帶隙半導(dǎo)體材料表面形成單分子層,對電池的光收集效率,電荷分離效率以及光子-電流轉(zhuǎn)換效率有著決定性的作用。釕配合物染料敏化劑因其吸光范圍寬,能級位置合適,轉(zhuǎn)換效率高,穩(wěn)定性好等優(yōu)點成為了目前使用范圍最廣,產(chǎn)業(yè)化前景最好的敏化劑類型。開發(fā)具有寬光譜強吸收,能級位置合適的高效釕配合物染料敏化劑是本論文研究的出發(fā)點。在本文中,我們以在聯(lián)吡啶輔助配體上引入強離域的電子給體天線為主要手段,按照逐步增加共軛程度,延長共軛長度為結(jié)構(gòu)梯度,合成出四個系列,共十二種釕配合物染料敏化劑。系統(tǒng)研究了染料的光物理和電化學性質(zhì),并將其用于染料敏化太陽電池中,深入考察了電子給體天線結(jié)構(gòu)的引入與電池光電性能之間的關(guān)系。在聯(lián)吡啶輔助配體上分別引入非環(huán)式的電子給體甲氧基苯(methylthio-phenyl)和甲硫基苯(methoxyl-phenyl)以及環(huán)式電子給體亞甲二氧基苯(methylenedioxy-phenyl)得到染料 RC-15,RC-16 和 RC-22。研究結(jié)果表明含有環(huán)式電子給體基團的RC-22擁有最大的摩爾消光系數(shù),吸收光譜紅移程度也最明顯�；赗C-22的電池獲得了最佳的敏化效果,IPCE曲線的最大值超過了90%。證明了環(huán)式電子給體的引入比非環(huán)式電子給體更有利于染料光收集效率的提高,從而獲得更高的光生電流。芳胺類衍生物擁有合適的光電化學性質(zhì),在釕染料分子中,芳胺類電子給體還可以給極性的釕染料分子和非極性的空穴傳輸物質(zhì)提供極性匹配,從而促進界面連接,提高光伏性能。我們通過在聯(lián)吡啶輔助配體上引入三種不同結(jié)構(gòu)-電化學性質(zhì)的芳胺類電子給體(N,N-二乙基苯胺,久洛尼定和N,N-二芐基苯胺)設(shè)計合成出三種不同釕配合物染料分子RC-31,RC-32以及RC-36。其中,RC-36敏化的太陽電池獲得了最出色的光電轉(zhuǎn)換效率10.23%,基于RC-32的太陽電池效率僅為7.43%。表明引入芳胺電子給體結(jié)構(gòu)-電化學性質(zhì)對染料分子有著巨大的影響。結(jié)構(gòu)合適的芳胺電子給體需在引入后顯著提高染料分子的光收集能力,另外電子給體的給電子能力還需要相對適中,不能破壞染料分子在染料敏化太陽電池中的能級平衡,即不能影響激發(fā)態(tài)染料電子注入和基態(tài)染料分子再生過程的進行。為了進一步開發(fā)高效強離域的電子給體天線結(jié)構(gòu),探究其結(jié)構(gòu)對染料性質(zhì)及染料敏化太陽電池性能的影響,我們設(shè)計合成了三種釕配合物染料分子RC-41,RC-42以及RC-43。在染料RC-41中,我們引入了與三苯胺有相似結(jié)構(gòu)以及相似給電子能力的苯咔唑(PCA)基團作為電子給體天線。在染料RC-42中,引入了含有甲氧基的三苯胺(MeO-TPA)基團來進一步提高三苯胺的給電子能力。在染料RC-43中,為了進一步提高給電子能力,增強染料分子的共軛長度,我們在聯(lián)毗啶支架和甲氧基三苯胺之間加入了乙烯二氧噻吩(EDOT)基團。將這些染料應(yīng)用于染料敏化太陽電池中,在光照為AM1.5G(100mWcm-2)的情況下,這三種染料敏化的太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率均高于基準染料Z907。其中RC-43敏化的太陽電池獲得了最好的光電性能,效率可以達到10.78%。為了探索強電子給體對三聯(lián)吡啶染料性質(zhì)及光電性能的影響,我們將含有強離域電子給體的聯(lián)吡啶輔助配體引入三聯(lián)吡啶釕染料中來替代其中兩個異硫氰根配體。希望可以在提高短波長區(qū)域吸光強度的同時,增強染料的穩(wěn)定性,提高染料的性能。我們設(shè)計合成了三種三聯(lián)吡啶釕配合物染料分子RC-T51,RC-T52以及RC-T53。這三種RC染料的分子結(jié)構(gòu)均由4,4',4"-三羧酸-2,2':6',2"-三聯(lián)吡啶作為錨定基團,含有強離域的電子給體天線的輔助配體,以及一個用來協(xié)調(diào)染料性質(zhì)的異硫氰根組成。實驗結(jié)果表明,RC染料敏化電池的效率均低于基準染料N749。這種現(xiàn)象是由于RC-T染料不合適的HOMO能級分布以及低下的染料再生效率所導(dǎo)致的。
[Abstract]:In recent years , a new type of dye - sensitized solar cell ( DSSC ) , which has been used in dye - sensitized solar cells , has been used in dye - sensitized solar cells . In order to further improve the electron - donating ability and enhance the conjugation length of dye molecules , we added ethylene dioxythiophene ( EDOT ) groups to the dye - sensitized solar cells . The photoconversion efficiency of these three kinds of dye - sensitized solar cells was higher than that of the reference dye Z907 . In order to explore the effect of the strong electron donor on the properties and photoelectric properties of the tripolypyridyl ruthenium dyes , we designed three kinds of tripolypyridyl ruthenium complex dye molecules RC - T51 , RC - T52 and RC - T53 . The experimental results show that the efficiency of the RC - 43 sensitized solar cells is lower than that of the reference dye N749 . This phenomenon is caused by the improper homo - level distribution of the RC - T dye and the low dye regeneration efficiency .

【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O641.4;TM914.4

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本文編號：1726783