基于喹喔啉的D--A--π--A型染料的合成与性质

摘要

近年来，作为传统太阳能电池的潜在替代品，染料敏化太阳能电池(DSSCs)以其低成本，高转化效率等优势已经得到了广泛研究。本论文在传统D-π-A型染料的基础上，设计并合成了三种有机染料HWD11，HWD12和HWD13。它们均以三苯胺作为电子给体，氰基丙烯酸基作为电子受体，分别以呋喃基、噻吩基和苯基作为共轭π桥，引入喹喔啉衍生物作为辅助受体，从而得到基于喹喔啉的D-A-π-A型有机染料。三种目标染料分子以及文献尚未报道的中间体分别进行了核磁氢谱，核磁碳谱，质谱等方法表征和结构确认。并系统地考察了HWD系列染料的光物理、电化学性质以及基于三种染料制备的染料敏化太阳能电池的光伏性能。 研究结果显示，相较于染料HWD13(苯基作π桥)，染料HWD11(呋喃基作π桥)和HWD12(噻吩基作π桥)发生了明显的红移现象，这说明呋喃基和噻吩基作π桥更利于拓宽染料分子的吸收范围;染料在TiO2膜表面的J-聚集，导致染料在TiO2膜表面吸收光谱出现红移。三种染料的基态和激发态氧化还原电位都满足了染料激发态电子注入到TiO2导带中和氧化态染料分子进行还原再生的电位要求。 通过光伏性能的测试，发现三种染料制作的电池在375-575nm的波长范围内具有良好的光谱响应强度，保证了染料敏化电池的效率。基于HWD系列染料的电池效率分别为4.68％、3.53％和3.72％，电池的电流短路密度分别为9.39mA/cm2，7.84mA/cm2，7.18mA/cm2，开路电压分别为0.69V，0.66V，0.71V，填充因子分别为0.72，0.68，0.73。较高的短路电流密度以及在TiO2膜上较高的吸附量，使得基于染料HWD11的DSSCs表现出最高的性能。另外通过添加共吸附剂，一定程度上抑制染料分子在TiO2上的聚集，增强其光谱响应强度，从而改善电池效率。染料HWD11/CDCA敏化的太阳能电池具有最优良的光电性能，在模拟太阳光下，其总的光电转化效率可达4.76％。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1前言

1．2染料敏化太阳能电池简介

1．2．1染料敏化太阳能电池的基本结构

1．2．2染料敏化太阳能电池的工作原理

1．2．3染料敏化太阳能电池性能的评价指标

1．3 燃料敏化剂综述

1．3．1理想的染料敏化剂

1．3．2金属配合物染料

1．3．3纯有机染料

1．4 D-A-π-A型染料

1．5论文主要研究思路和主要研究内容

1．5．1主要研究思路

1．5．2主要研究内容

2实验部分

2．1前言

2．2实验所用仪器及型号

2．3实验所用药品、试剂

2．4试剂的纯化

2．5有机染料及其中间体的合成与表征

2．5．1染料HWD11，HWD12和HWD13的设计与合成

2．5．2辅助受体5及相关中间体的合成及表征

2．5．3染料HWD11及相关中间体的合成及表征

2．5．4染料HWD12及相关中间体的合成及表征

2．5．5染料HwD13及相关中问体的合成及表征

2．6结果与讨论

2．7本章小结

3染料敏化太阳能电池的的制备、染料及电池的各项性能测试

3．1引言

3．2染料敏化太阳能电池的制备

3．2．5 TiO2纳晶多孔薄膜的敏化

3．2．6对电极的制备

3．2．7电解质溶液的配制

3．2．8染料敏化太阳能电池的组装

3．3染料的光物理、电化学性质测试

3．3．1染料的紫外-可见吸收光谱和荧光光谱测试

3．3．2电化学测试

3．3．3染料在二氧化钛表面的吸附量测试

3．4染料敏化太阳能电池的测试

3．4．1染料敏化太阳能电池的J-V曲线

3．4．2染料敏化太阳能电池的光电流工作谱测试

3．4．3电化学阻抗测试

3．5密度泛函理论计算

3．6本章小结

4染料的光物理、电化学性质以及电池的光伏性能

4．1引言

4．2紫外-可见吸收光谱和荧光光谱

4．3电化学性质

4．4密度泛函理论计算

4．5基于染料HWD11，HWD12和HWD13的DSSCs的光电性能

4．5电化学阻抗谱

4．6本章小结

5结论

致谢

参考文献

附录