吲哚并咔唑类光敏剂的合成及其在第三代太阳能电池中的应用

摘要

光敏剂是染料敏化太阳能电池中主导光生电子过程的重要部分。研究者们在光敏剂的光谱响应能力，能级匹配程度，电子推拉结构等方面进行了诸多努力。通过调节分子结构，设计合成具有高摩尔吸光系数，优秀光谱响应，合适的氧化还原电位的有机光敏剂对于染料敏化太阳能电池的应用具有重要意义。 本文中设计合成了基于吲哚并咔唑的新型纯有机光敏剂。光敏染料SK201和SK202具有匹配的能级能够与钴电解质配合使用，通过在供电基团上修饰烷氧链和长碳链以及柔性的苯环基团，使得染料吸附在半导体表面时能够形成有效的阻挡层，阻止氧化还原电对与TiO2的接触，从而抑制电子的复合，提高开路电压。在SK201的结构基础上添加噻吩基团合成了SK202分子。通过理论计算，由于噻吩基团体积小，空间位阻作用小，减少了光敏剂供电基团和桥基之间的扭转角度，使得SK202分子的平面性大大提高，增强了分子共轭。这一调整使分子的紫外可见吸收光谱红移了接近40nm，极大提高了光敏剂的光谱响应能力。同时加入噻吩后的分子的吸电性增强，降低了分子的LUMO能级，减少了不必要的能量损失。基于SK202和Co-bpy氧化还原电对的染料敏化太阳能电池得到了11.0%的光电转化效率（短路电流16.5mA/cm2，开路电压为932mV，填充因子71.7%），在自然光条件下放置1000h仍能保持稳定工作。同时，使用I-/I3-氧化还原电对的器件也达到了10.5%的光电转化效率（短路电流密度为17.5mA/cm2，开路光电压为844mV，填充因子为71.1%）。这说明SK系列染料对于氧化还原电对具有普适性，与不同种类的电解质能够良好的契合。 基于有机-无机杂化钙钛矿材料的太阳能电池是近年来光伏领域的研究热点。卤化物钙钛矿材料具有在可见光区光谱响应强，消光系数高，载流子寿命和迁移距离长（100nm-1μm），自身具有p-n结特点等优势，并且利用简单地溶液加工方式即可方便地制备固态光电器件。但是多晶结构的钙钛矿薄膜存在各种缺陷，包括配位不足的阳离子和阴离子等，这些缺陷的存在一方面会成为捕获光生载流子的陷阱，另一方面会造成钙钛矿的分解。本文中使用具有羧基的染料分子SK202作为钙钛矿薄膜的钝化剂，将其加入到反溶剂当中，通过一步法制备钙钛矿薄膜。经钝化处理的器件有效减少了载流子复合，开路电压明显提升。同时由于染料分子具有的疏水结构，处理后的钙钛矿薄膜表面具有良好的疏水性，提高了PSCs的水氧稳定性，在空气中放置20天后仍能保持初始效率的80%以上。

目录

声明

1 绪论

1.1 染料敏化太阳能电池

1.1.1 染料敏化太阳能电池结构和工作原理

1.1.2 评价染料敏化太阳能电池指标

1.1.2 光敏染料

1.2 钙钛矿太阳能电池

1.2.1 钙钛矿材料

1.2.2 钙钛光电池工作原理

1.2.3 钙钛矿薄膜制备方法

1.2.4 钙钛矿材料研究进展

1.2.5钙钛矿电池稳定性研究

1.3 选题依据

2 基于吲哚并咔唑结构作为电子供体的光敏染料在染料敏化太阳能电池中的性能研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 仪器

2.2.2 实验材料

2.2.3 染料敏化太阳能电池的组装

2.2.4 染料SK201与SK202的合成与表征

2.3 结果与讨论

2.3.1 光敏染料SK201与SK202的紫外可见吸收光谱

2.3.2 染料的吸附量测试

2.3.3 光敏染料SK201与SK202的电化学性质

2.3.4 光敏染料SK201与SK202的密度泛函理论计算(DFT)

2.3.5 基于染料SK201和SK202敏化的染料敏化太阳能电池的光电转化效率测试

2.3.6 基于SK202敏化的染料敏化太阳能电池的稳定性和可重复性测试

2.3.7 基于染料SK201和SK202敏化的染料敏化太阳能电池的电化学阻抗测试

2.4 本章小结

3 有机染料钝化钙钛矿薄膜缺陷制备高效稳定器件的研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 材料与试剂

3.2.2 实验仪器

3.2.3 测试方法

3.2.4 钙钛矿太阳能电池的制作

3.3 结果与讨论

3.3.1 钙钛矿薄膜的XRD表征

3.3.2 钙钛矿薄膜的表面形态表征

3.3.3 钙钛矿薄膜的紫外-可见吸收光谱

3.3.4 钙钛矿薄膜的红外光谱测试光谱

3.3.5 钙钛矿薄膜的接触角测试

3.3.6 有机染料SK202钝化的钙钛矿太阳能电池的光电性能测试

3.3.7 钙钛矿电池稳定性及重复性测试

3.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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