本文關(guān)鍵詞：硫脲功能化有機(jī)染料的π-橋鏈修飾及其在染料敏化太陽能電池中的應(yīng)用，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：太陽能的充分利用是一條緩解能源危機(jī)的有效途徑。染料敏化太陽能電池(DSSCs)作為一個(gè)有發(fā)展?jié)摿Φ墓怆娹D(zhuǎn)換設(shè)備,與傳統(tǒng)的硅太陽能電池相比,有組裝簡單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。而染料敏化劑作為DSSCs的重要組成部分,對(duì)光電轉(zhuǎn)換效率的提高起到了至關(guān)重要的作用。因此,科研工作者集中了大量的精力開發(fā)新的染料敏化劑。隨著系統(tǒng)地分子設(shè)計(jì)和合成手段的發(fā)展,目前用于DSSCs的染料敏化劑主要包括鋅-卟啉絡(luò)合物、釕絡(luò)合物和有機(jī)染料敏化劑。相比之下,有機(jī)染料敏化劑因其獨(dú)特的優(yōu)勢(易于設(shè)計(jì)修飾和純化、原材料易得、成本低廉以及摩爾吸光系數(shù)高等)獲得了越來越多的關(guān)注。近年來,本課題組使用硫脲功能化三苯胺作為供體部分構(gòu)建了一系列有機(jī)染料敏化劑。與相應(yīng)的三苯胺類染料相比,這類染料有較寬的光吸收譜帶和較強(qiáng)的抑制分子間團(tuán)聚的能力,因而表現(xiàn)出較高的短路電流密度(Jsc)或開路電壓(Voc)。在這些硫脲功能化染料中,以聯(lián)噻吩為π-橋鏈的染料(AZ6)雖然獲得了較高的Jsc和光電轉(zhuǎn)化效率,但Voc相對(duì)較低。較高的Jsc可能與聯(lián)噻吩優(yōu)良的電子遷移性能和染料寬的吸收譜帶有關(guān),而低的Voc可能由于分子間的團(tuán)聚所致。為了進(jìn)一步優(yōu)化硫脲功能化三苯胺類染料的性能,提高DSSCs的光電轉(zhuǎn)換效率,本文對(duì)其π-橋鏈進(jìn)行系統(tǒng)地結(jié)構(gòu)修飾和深入的研究,以期獲得性能更加優(yōu)良的染料敏化劑。詳細(xì)研究內(nèi)容如下：(1)設(shè)計(jì)合成了一系列新穎的硫脲功能化染料(包括9個(gè)硫脲功能化三苯胺類染料和1個(gè)小體積硫脲功能化染料)。首先,硫脲功能化的供體和各種π-橋鏈通過Suzu ki偶聯(lián)反應(yīng)或Heck反應(yīng)連接。然后,經(jīng)過Knoevenagel縮合反應(yīng)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的目標(biāo)染料。通過1H NMR、13C NMR和MS等分析方法對(duì)所有的中間體和目標(biāo)染料進(jìn)行了結(jié)構(gòu)確認(rèn)。(2)通過π-橋鏈修飾和光陽極材料篩選研究了短路電流和開路電壓的影響因素。結(jié)果表明,與以聯(lián)噻吩為π-橋鏈的染料AZ6相比,在聯(lián)噻吩的p位引入己基鏈的染料AZ261獲得了較高的Jsc和Voc。而進(jìn)一步在橋鏈上插入雙鍵后,染料AZ263的Voc雖然稍有減低,但JSc顯著提高,因此也獲得了高達(dá)8.24%的光電轉(zhuǎn)換效率。為了優(yōu)化DSSCs的組裝工藝,我們還系統(tǒng)地研究了介孔球Ti02作為光陽極材料對(duì)染料負(fù)載量和光捕獲能力的影響。(3)通過使用富電子的并二噻吩(TT)作為π-橋鏈構(gòu)建染料分子。結(jié)果表明,TT片段較高的電子轉(zhuǎn)移性能有助于光生電子注入效率的提高。然而,TT的引入使染料的能隙變窄和分子間作用增加,進(jìn)而加劇了分子間的團(tuán)聚,使DSSCs的Voc降低。隨著共軛鏈的延長,染料的吸收譜帶明顯拓寬,這有助于提高光陽極的光捕獲能力和光電流的產(chǎn)生。(4)通過使用具有立體效應(yīng)的富電子單元3,4-乙撐二氧噻吩(EDOT)作為橋鏈來構(gòu)建染料分子。與噻吩相比,EDOT作為π-橋鏈的共軛單元可明顯拓寬染料的光吸收譜帶、改善光捕獲能力。除此以外,EDOT單元更大的立體效應(yīng)也有助于抑制分子間的團(tuán)聚和阻礙電子復(fù)合。因此,相應(yīng)的染料也表現(xiàn)出優(yōu)良的光伏性能。(5)分析總結(jié)了一系列具有二元橋鏈的硫脲功能化三苯胺染料的構(gòu)效關(guān)系。這些染料的唯一差別是,其中一個(gè)單元為噻吩,而另一個(gè)單元分別為噻吩、3-己基噻吩、并二噻吩(TT)、3,4-乙撐二氧噻吩(EDOT)和苯環(huán)。在這些染料中,含并二噻吩或3,4-乙撐二氧噻吩的染料表現(xiàn)出了寬的吸收譜帶和高的摩爾吸光系數(shù),這有助于提高光捕獲能力；而含有3-己基噻吩或EDOT的染料表現(xiàn)出了較大的立體效應(yīng),有利于抑制分子間的團(tuán)聚和電子復(fù)合。而且,結(jié)合優(yōu)化的分子構(gòu)型,可以看到月牙形共平面的π-橋鏈表現(xiàn)出了最佳的光物理和光伏性能。(6)利用大／小體積分子之間的協(xié)同作用探索了一種新的共敏體系。結(jié)果表明,在Ti02表面上,小體積染料可以填充大體積染料分子之間的空隙,其吸收譜帶也可以互補(bǔ)大體積染料的UV-vis吸收峽谷。通過兩者之間的優(yōu)勢互補(bǔ)獲得性能更加優(yōu)良的共敏太陽能電池。此外,通過熱重分析(TGA)和高效液相色譜(HPLC)結(jié)合的方法準(zhǔn)確測定了Ti02表面的染料負(fù)載量,并推測了共敏染料之間的負(fù)載行為。結(jié)果表明,這種簡單的小體積分子不僅可以作為共吸附劑阻礙電子復(fù)合、抑制大體積染料分子間的團(tuán)聚,還可以作為共敏劑來提高光捕獲能力。
【關(guān)鍵詞】：硫脲功能化染料 染料敏化太陽能電池 共軛橋鏈 結(jié)構(gòu)修飾 共敏
【學(xué)位授予單位】：陜西師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TQ610.1;TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第一章 緒論13-27
• 第一節(jié) 引言13-15
• 1.1.1 可再生與清潔能源13
• 1.1.2 太陽能的利用13
• 1.1.3 太陽能電池的發(fā)展及現(xiàn)狀13-15
• 第二節(jié) 染料敏化太陽能電池簡介15-18
• 1.2.1 染料敏化太陽能電池的構(gòu)造及工作原理15-16
• 1.2.2 技術(shù)指標(biāo)16-18
• 第三節(jié) 染料敏化劑18-23
• 1.3.1 染料敏化劑簡介18
• 1.3.2 有機(jī)染料敏化劑18-19
• 1.3.3 有機(jī)染料敏化劑的π-橋鏈結(jié)構(gòu)修飾19-23
• 1.3.3.1 以拓寬光譜響應(yīng)范圍為目的結(jié)構(gòu)修飾19-20
• 1.3.3.2 以增加電子注入為目的結(jié)構(gòu)修飾20-21
• 1.3.3.3 以抑制分子間團(tuán)聚為目的結(jié)構(gòu)修飾21-23
• 第四節(jié) 論文的選題背景、研究內(nèi)容及創(chuàng)新性23-27
• 1.4.1 選題背景23-24
• 1.4.2 研究內(nèi)容24-25
• 1.4.3 論文的創(chuàng)新性25-27
• 第二章 實(shí)驗(yàn)部分27-67
• 第一節(jié) 染料的合成及結(jié)構(gòu)表征27-61
• 2.1.1 儀器與試劑27-30
• 2.1.1.1 儀器設(shè)備27
• 2.1.1.2 原材料與試劑27-30
• 2.1.2 合成路線30-32
• 2.1.3 合成步驟32-61
• 2.1.3.1 染料AZ260的合成35-37
• 2.1.3.2 染料AZ261的合成37-41
• 2.1.3.3 染料AZ262的合成41-44
• 2.1.3.4 染料AZ263的合成44-46
• 2.1.3.5 染料AZ360的合成46-49
• 2.1.3.6 染料AZ362的合成49-51
• 2.1.3.7 染料AZ461的合成51-54
• 2.1.3.8 染料AZ463的合成54-57
• 2.1.3.9 染料AZ564的合成57-59
• 2.1.3.10 染料SE的合成59-61
• 第二節(jié) 密度泛函理論計(jì)算61
• 第三節(jié) 電池組裝61-63
• 2.3.1 試劑、材料及儀器61-62
• 2.3.2 太陽能電池的組裝過程62-63
• 第四節(jié) 性能研究63-66
• 2.4.1 光物理性能測試63
• 2.4.2 電化學(xué)性能測試63-64
• 2.4.3 光伏性能測試64
• 2.4.4 形貌觀察64
• 2.4.5 染料負(fù)載量測試64-66
• 第五節(jié) 本章小結(jié)66-67
• 第三章 結(jié)果與討論67-135
• 第一節(jié) 短路電流和開路電壓的調(diào)節(jié)方法探討67-86
• 3.1.1 引言67-68
• 3.1.2 結(jié)果與討論68-85
• 3.1.2.1 染料結(jié)構(gòu)68-69
• 3.1.2.2 紫外可見吸收光譜69-71
• 3.1.2.3 電化學(xué)性能71-73
• 3.1.2.4 密度泛函理論計(jì)算73-76
• 3.1.2.5 光陽極材料對(duì)光伏性能的影響76-82
• 3.1.2.6 光伏性能研究82-85
• 3.1.3 結(jié)論85-86
• 第二節(jié) 富電子單元作為共軛橋鏈對(duì)光伏性能的影響86-97
• 3.2.1 引言86
• 3.2.2 結(jié)果與討論86-95
• 3.2.2.1 染料結(jié)構(gòu)86-87
• 3.2.2.2 紫外可見吸收光譜87-88
• 3.2.2.3 電化學(xué)性能88-90
• 3.2.2.4 密度泛函理論計(jì)算90-91
• 3.2.2.5 光伏性能研究91-94
• 3.2.2.6 電化學(xué)阻抗分析94-95
• 3.2.3 結(jié)論95-97
• 第三節(jié) 橋鏈立體構(gòu)型對(duì)光伏性能的影響97-107
• 3.3.1 引言97-98
• 3.3.2 結(jié)果與討論98-106
• 3.3.2.1 染料結(jié)構(gòu)98
• 3.3.2.2 紫外可見吸收光譜98-100
• 3.3.2.3 電化學(xué)性能100-101
• 3.3.2.4 密度泛函理論計(jì)算101-103
• 3.3.2.5 光伏性能研究103-105
• 3.3.2.6 電化學(xué)阻抗分析105-106
• 3.3.3 結(jié)論106-107
• 第四節(jié) 二元橋鏈的結(jié)構(gòu)片段與整體性能的關(guān)聯(lián)性研究107-120
• 3.4.1 引言107-108
• 3.4.2 結(jié)果與討論108-118
• 3.4.2.1 染料結(jié)構(gòu)108-109
• 3.4.2.2 紫外可見吸收光譜109-111
• 3.4.2.3 電化學(xué)性能111-112
• 3.4.2.4 密度泛函理論計(jì)算112-115
• 3.4.2.5 光伏性能研究115-117
• 3.4.2.6 電化學(xué)阻抗分析117-118
• 3.4.3 結(jié)論118-120
• 第五節(jié) 小體積染料在共敏太陽能電池中的協(xié)同作用研究120-135
• 3.5.1 引言120-121
• 3.5.2 結(jié)果與討論121-132
• 3.5.2.1 染料結(jié)構(gòu)121
• 3.5.2.2 分子構(gòu)型模擬計(jì)算121-123
• 3.5.2.3 電化學(xué)性能123-125
• 3.5.2.4 光物理性能125-127
• 3.5.2.5 染料負(fù)載量研究127-129
• 3.5.2.6 光伏性能研究129-131
• 3.5.2.7 電化學(xué)阻抗分析131-132
• 3.5.3 結(jié)論132-135
• 結(jié)論與展望135-137
• 參考文獻(xiàn)137-149
• 附圖149-187
• 致謝187-189
• 攻讀學(xué)位期間科研成果189

  本文關(guān)鍵詞：硫脲功能化有機(jī)染料的π-橋鏈修飾及其在染料敏化太陽能電池中的應(yīng)用，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

，

本文編號(hào)：356337