基于不同吡啶鎓阳离子作为电子受体在染料敏化太阳能电池中的应用研究

摘要

染料敏化太阳能电池由于其低成本，制作简单，高效率等诸多优点得到了来自世界范围内的关注。而光敏剂作为染料敏化太阳能电池的重要组成部分，吸收太阳光，对电池的光电转换效率起着决定性的作用，其中纯有机光敏染料由于具有高的摩尔吸光系数、易于修饰的分子结构、较宽的吸收光谱，近几年得到了较快的发展。
　　本文设计合成了以己氧基三苯胺，异辛烷基吩噻嗪作为电子供体，乙烯基噻吩作为桥基，不同的吡啶鎓阳离子作为电子受体和吸附基团的光敏染料TJ101、TJ102和TJ201。由于吡啶鎓阳离子良好的吸电子能力和电子注入能力，本文将不同的吡啶鎓阳离子作为电子受体引入到染料的分子结构中代替传统的电子受体氰基丙烯酸。为了研究不同电子受体对染料电化学，光化学以及光电转化性能的影响，本文测试了TJ101、TJ102和TJ201染料的紫外可见吸收光谱，以及电化学阻抗和光伏性能测试，同时在理论上对染料进行了密度泛函理论的计算(DFT)。由于染料在二氧化钛表面容易堆积，本文在染料的敏化过程中加入了CDCA与染料共吸附，研究了CDCA对于染料光伏性能和电化学的影响。
　　本文通过测试研究发现，染料的离子化有助于增强染料电子受体部分的吸电子能力，阳离子染料(TJ101、TJ102和TJ201)的禁带宽度降低，吸收光谱得到拓宽，短路电流得到较大的提高。同时本文研究发现，CDCA的加入对以TJ系列光敏剂封装的电池（除TJ101R的Voc降低外）开路电压、短路电流、光电转换效率都有一个较大的提升。在饱和CDCA的共敏化下，在一个标准光强下，以吡啶羧基甲基阳离子作为电子受体和吸附基团的染料TJ101应用在染料敏化太阳能电池中获得了5.4％的光电转化效率(Jsc=10.8mA·cm-2，Voc=680mV，FF=74.2％)。在相同的情况下，以吡啶羧基作为电子受体和吸附基团的染料TJ101R获得了4.0％的光电转换效率(Jsc=6.7 mA·cm-2，Voc=752mV，FF=78.5％)。