【摘要】：近幾年來(lái)隨著全球工業(yè)的高速發(fā)展,對(duì)能源的需求也越來(lái)越大,而且大量溫室氣體的排放嚴(yán)重影響了生態(tài)平衡的可持續(xù)發(fā)展。發(fā)展利用可再生能源成為解決能源危機(jī)和維持生態(tài)平衡可持續(xù)發(fā)展的重要途徑,太陽(yáng)能作為可再生能源具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展等方面的優(yōu)點(diǎn),因此越來(lái)越多的人把研究方向轉(zhuǎn)向太陽(yáng)能。性能優(yōu)良的敏化染料對(duì)提高光電轉(zhuǎn)換效率至關(guān)重要,其中三苯胺因獨(dú)特的空間結(jié)構(gòu),使得以三苯胺為電子供體的一類有機(jī)染料在染料敏化太陽(yáng)能電池上得到了廣泛的關(guān)注。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,化學(xué)計(jì)算方法和高性能計(jì)算平臺(tái)取得了很大的進(jìn)步,已經(jīng)應(yīng)用到分子結(jié)構(gòu)及性能研究中,這使得研發(fā)時(shí)間大幅縮短,避免了實(shí)驗(yàn)資源的浪費(fèi)。本文設(shè)計(jì)了兩類敏化染料分子,第一類是在原始構(gòu)型為D-π-A型的三苯胺類敏化染料B1的基礎(chǔ)上引入不同的額外受體構(gòu)成D-A-π-A型敏化染料分子;第二類是在以苯并惡二唑?yàn)轭~外受體的D-A-π-A型敏化染料分子中供電子基團(tuán)的三苯胺支鏈上引入不同的基團(tuán)構(gòu)成新的染料分子。設(shè)計(jì)的分子都利用密度泛函理論對(duì)染料分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、電荷分布、能級(jí)等計(jì)算,研究不同額外受體和三苯胺支鏈對(duì)敏化染料結(jié)構(gòu)及性能的影響。計(jì)算研究表明設(shè)計(jì)的11種染料均能保持穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu),在可見(jiàn)光區(qū)甚至紅外光區(qū)都有良好的吸收范圍,均具有較窄的帶隙。比較HOMO和LUMO能級(jí)的電荷分布可知,這些染料都可以發(fā)生分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移。同時(shí)由于HOHO能級(jí)均低于氧化還原電解質(zhì)I~-/I_3~-的氧化還原電位,LUMO能級(jí)均高于TiO_2的導(dǎo)帶能級(jí),因此保證了染料電子的有效轉(zhuǎn)移和染料重生。通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的綜合分析,得出兩類敏化染料的性能排序?yàn)镈PPBTDBODPDPQuBTZB1和DyeEDye BDyeCDyeADye DB1-BOD。根據(jù)計(jì)算研究的結(jié)果選取了性能較好的B1-BOD和DyeE為合成對(duì)象,以苯并二唑-4-甲醛,三苯胺硼酸,4-硼酸-4',4'二甲氧基三苯胺、氰基乙酸為主要原料,通過(guò)溴代反應(yīng),Suzuki偶合反應(yīng),Knoevenagel縮合反應(yīng)對(duì)其進(jìn)行了合成,對(duì)中間產(chǎn)物和目標(biāo)產(chǎn)物進(jìn)行~1H NMR、~(13)C NMR、MS及IR檢測(cè)驗(yàn)證,結(jié)果表明合成了目標(biāo)產(chǎn)物。對(duì)B1-BOD和Dye E進(jìn)行了光學(xué)測(cè)試、電化學(xué)測(cè)試及光伏性能測(cè)試,結(jié)果顯示兩種染料染料有較寬的吸收光譜范圍,分別為200-652.5nm、200-700nm;兩種染料的HOMO和LUMO能級(jí)與二氧化鈦和電解液的能級(jí)相匹配,符合作為敏化劑所必要的條件;并利用量子化學(xué)計(jì)算了染料的電子躍遷參數(shù),進(jìn)一步從理論上說(shuō)明了兩種染料的性能良好。
【學(xué)位授予單位】：河北科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TQ618.99
【圖文】：

圖 1-1 DSSCs 的簡(jiǎn)易組成圖極作為 DSSCs 中不可或缺的構(gòu)成部分，一般由負(fù)載著敏化染料的金屬其表面上敏化染料的吸附量和穩(wěn)定性將決定電池的性能。因此理論上該具有較大的比表面積，從而吸附較多的敏化染料分子，把更多電子。光陰極是染料敏化太陽(yáng)能電池的另一個(gè)組成部分，能夠把外電路的回體系當(dāng)中，可以維持電解液中氧化還原電解對(duì)的平衡。目前使用相極是鍍鉑的導(dǎo)電玻璃和碳電極。DSSCs 中的電解液一般可以分為液態(tài)態(tài)電解質(zhì)，現(xiàn)階段使用的液態(tài)電解質(zhì)中 I3-/I-氧化還原電子對(duì)的占大多好的穩(wěn)定性，促使染料的再生。DSSCs 的工作原理染料敏化太陽(yáng)能電池的主要目的就是利用其收集太陽(yáng)光然后將光能轉(zhuǎn)個(gè)光電轉(zhuǎn)換的過(guò)程和生物界植物的光合作用相類似[22]。染料敏化太陽(yáng)化染料就相當(dāng)于植物中的葉綠素，在整個(gè)過(guò)程中主要起到的作用是吸再產(chǎn)生電子。DSSCs 工作的原理是將敏化染料吸收太陽(yáng)光然后產(chǎn)生的

圖 1-2 光電流密度-光電壓（J-V）曲線示意圖DSSCs 的電流和電壓，然后將電流轉(zhuǎn)換成電流密度就以看出短路電流密度（Jsc）是 J-V 曲線和縱坐標(biāo)的交和橫坐標(biāo)的交點(diǎn)。至于電池最大輸出功率時(shí)的電流密計(jì)算，在 J-V 圖中很難直接看出。化太陽(yáng)能電池中染料的要求太陽(yáng)能電池中起到關(guān)鍵作用的是敏化染料，敏化染過(guò)程能否順利的進(jìn)行。因此如果要使敏化染料發(fā)揮么必須滿足一定條件的敏化染料才能夠被應(yīng)用到 DS探索得知由于的 TiO2半導(dǎo)體薄膜的禁帶為 3.2eV，不容易被激發(fā)發(fā)生能級(jí)的躍遷。由于紫外線的光照波長(zhǎng)更短（能量更大）的光線照射下電子才會(huì)躍遷光的大部分能量主要集中在可見(jiàn)光及紅外區(qū)域，紫外陽(yáng)光總能量的 5%左右，這就是為什么使用太陽(yáng)光照

圖 1-3 三種典型的聯(lián)吡啶釕基染料1.5.2 卟啉類配合物發(fā)現(xiàn)卟啉類敏化染料能夠產(chǎn)生光電效應(yīng)的是 Bard 等人[35]，他們?cè)谀M太陽(yáng)能光照的條件下利用卟啉做敏化染料發(fā)現(xiàn)其可以產(chǎn)生光電效應(yīng)，這激發(fā)了科研工作者對(duì)其研究的熱情，經(jīng)過(guò)不斷地研究合成出了很多敏化染料，他們都具有優(yōu)良的性能，其中一種含有多烯丙二酸基團(tuán)的鋅配位的卟啉類染料在 2007 年被 Campbell 等[36]合成，其電池效率達(dá)到 7.1%。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前6條

1 劉圣君;尤鑫;;太陽(yáng)能的利用[J];現(xiàn)代物理知識(shí);2013年03期

2 ;New D-π-A dyes for efficient dye-sensitized solar cells[J];Science China(Chemistry);2012年05期

3 木麗萍;袁丹;環(huán)敏;陳志堅(jiān);肖立新;曲波;龔旗煌;;有機(jī)太陽(yáng)能電池能量轉(zhuǎn)化效率的提高思路[J];光譜學(xué)與光譜分析;2011年05期

4 李祥高;呂海軍;王世榮;郭俊杰;李靖;;染料敏化太陽(yáng)能電池用敏化劑[J];化學(xué)進(jìn)展;2011年Z1期

5 方永增;孟慶華;;天然染料在太陽(yáng)能電池中的敏化作用[J];染料與染色;2009年02期

6 李春鴻;太陽(yáng)能電池[J];物理;1980年04期

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1 吳永真;基于D-A-π-A型純有機(jī)太陽(yáng)能電池敏化染料設(shè)計(jì)、合成及光伏性能研究[D];華東理工大學(xué);2013年

2 田海寧;芳胺類光敏染料用于染料敏化太陽(yáng)能電池的研究[D];大連理工大學(xué);2009年

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1 孟芳;幾種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的敏化染料設(shè)計(jì)與合成[D];鄭州大學(xué);2012年

本文編號(hào)：2756501