双D-π-A类光敏染料及小分子空穴传输材料的合成与在染料敏化太阳能电池中的应用

摘要

在染料敏化太阳能电池中，光敏染料作为其核心组件起到捕捉光子，并且将电子注入到纳米半导体导带的作用，同时氧化态的光敏染料又可以从电解质处获得电子还原再生。因此光敏染料对于整个太阳能电池的光电转化效率以及长期使用过程中的稳定性起着关键的作用。为了降低染料敏化太阳能电池的生产成本和对环境的污染，开发纯有机染料来代替金属配合物光敏染料在整个染料敏化太阳能电池领域有着深远的意义。
　　目前所研究的纯有机光敏染料多为 D-π-A结构，而对具有双D-π-A结构的染料研究相对较少，双D-π-A结构相对于D-π-A结构的染料，由于多了一倍的给电子基团，和吸电子基团，染料的吸光度和光谱的吸收范围，以及染料在TiO2薄膜上的吸附牢固度都有了很大的提升。
　　我们设计合成了4种纯有机光敏染料，其中两种具有双D-π-A结构，另外两种做为对比同样也有两个给电子基团，但是只有一个吸电子基团。同时，利用核磁氢谱和碳谱、质谱对这些化合物进行了结构表征。并且研究了他们的光物理性质，最后将其应用于染料敏化太阳能电池系统的研究了染料结构和电池性能之间的关系。其中 D-L染料的光电转化效率达到了6.06％，相比于单一吸电子基团的S-L4.56%的光电转化效率，有大约25%的提升。这说明了双 D-π-A类染料结构的合理性和广阔的研究前景。
　　由于传统的液态电解质存在易腐蚀、易泄露、不易携带等缺陷，严重的限制了商业化应用的前景。固态染料敏化电池可以避免这些缺陷，同时也为染料敏化太阳能电池商业化应用提供了必要的条件。而目前多数固态染料敏化电池中所用的空穴传输材料为Spiro-OMeTAD，并且取了不错的结果。但是Spiro-OMeTAD的制造工业复杂，价格昂贵是黄金的10倍，同时其空穴传输率和电导率都相对较低，因此，研发出一种高效廉价的空穴传输材料，对于太阳能电池发展具有重要意义。
　　噻吩类衍生物是有机光伏材料中非常重要的一大类，其具有比较适中的能隙，较宽的光谱响应，同时具有量化的环境稳定性和热稳定性，因此我们设计和合成了四种基于噻吩衍生物的空穴传输材料。利用核磁氢谱和碳谱、质谱对这些化合物进行了结构表征。并且研究了他们的光物理性质，最后将其应用于钙钛矿电池，其中SBP-OMe的空穴传输材料应用于钙钛矿电池的光电转化效率达到了11%，可成为Spiro-OMeTAD的潜在替代品。

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 染料敏化太阳能电池的结构及其工作原理

1.3 衡量染料敏化太阳能电池性能的参数

1.4 光敏染料

1.5 空穴传输材料

选题意义

设计思路

第2章 双D-π-A型光敏染料的设计、合成与表征

2.1 引言

2.2 实验仪器与试剂

2.3 双D-π-A型光敏染料的设计、合成与表征

2.4 本章小结

第3章 电池的组装、双D-π-A型光敏染料的光物理性质及光伏性能

3.1 引言

3.2 实验仪器与试剂

3.3 染料敏化电池的制作

3.4 DSCs的光伏性能测试

3.5 双D-π-A型染料的光物理性质与光电性能

3.6 本章小结

第4章 小分子类空穴传输材料的设计、合成与表征

4.1 引言

4.2 实验仪器与试剂

4.3 噻吩衍生物类空穴传输材料的设计、合成与表征

4.4 本章小结

第5章 噻吩衍生物类空穴传输材料在钙钛矿电池中的应用

5.1 引言

5.2 实验仪器与试剂

5.3 空穴传输材料的光物理性能

5.4 空穴传输材料的电化学性能

5.5 空穴传输材料在钙钛矿电池中的应用

5.6 空穴传输材料的热稳定性

5.7 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献