苊并吡嗪类染料用于染料敏化太阳电池的研究

摘要

染料敏化太阳能电池由于制备工艺简单，制作成本低，成为近年来太阳能光电转换领域的研究热点。在染料敏化太阳能电池体系中，光敏染料起到吸收太阳光并将激发态电子转移到纳米半导体导带中的作用，同时产生的染料氧化态又能快速的从电解质(I3-/I—)中得到电子而被还原再生。目前普遍使用的光敏染料为金属钌吡啶配合物，但由于引入贵金属钌，增加了电池的成本，同时也存在着环境污染的隐患。有机染料由于具有种类多，便于进行结构设计，易于制备和提纯等优点，其使用有望代替金属配合物染料，解决电池高效率、低成本的问题。 基于以上研究背景，本论文采用较大的共轭体系苊环作为桥基，将吡嗪引入苊环作为吸电子基团，以邻二羧基或单羧基为吸附基团，通过改变供电子基团给电子能力和吡嗪与吸附基团之间的共轭体系大小，共设计合成了12个以苊并吡嗪为母体的纯有机光敏染料，通过质谱、核磁共振氢谱进行结构表征，并对其光物理、电化学性进行研究，及应用于染料敏化太阳能电池的光电转换性能进行了研究。 首先研究了以甲氧基为供电子基团的3个苊并吡嗪类染料，证实了该类染料在光物理、电化学方面符合光敏染料的要求，由于染料在可见光区的吸收范围较窄，其敏化的电池光电转化效率最高只有0.43％，但这些已足以说明引入苊并吡嗪作为一种新型的有机光敏染料母体这一设计思想是可行的。为了进一步提高该类染料敏化的电池的光电性能，通过加强供电子基团的给电子能力，以二苯胺、N—丁基苯胺和N—甲基苯胺为供电子基团，又合成了9个苊并吡嗪类染料。给电子能力增强后的苊并吡嗪类光敏染料，吸收范围扩宽，在400～550nm范围内有强吸收，而且吸附到TiO2膜上的吸收范围基本没有发生变化，而且也满足电化学方面的能级匹配要求。更重要的是在光电性能方面，该类染料敏化的太阳能电池效率都明显提高。其中以二苯胺为供电子、吸附基团为邻二羧基直接连接在苊并吡嗪环上的染料9b光电转化效率最高，效率达到4.04％，相同测试条件下，经典染料N719的效率达到7.05％。同时，我们还通过红外光谱证实了苊并吡嗪类染料是以双齿桥联的形式与TiO2结合的，这对于电子的注入和染料在TiO2表面的稳定性是非常有利的。对染料的结构进行密度泛函理论计算，证明染料分子受激发后能够实现很好的分子内电荷分离。 本论文为有机光敏染料的研究提出了一种新的母体，对于设计合成高效的有机光敏染料奠定了基础，具有很好的参考价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

引 言

1 文献综述

1.1太阳能电池简介

1.1.1太阳能的利用

1.1.2太阳能电池的分类

1.1.3太阳能电池的发展

1.2染料敏化太阳能电池

1.2.1染料敏化太阳电池的结构

1.2.2染料敏化太阳电池电池的工作原理

1.2.3染料敏化太阳电池的主要评价参数

1.3光敏染料

1.3.1光敏染料的特点

1.3.2光敏染料的种类

1.4选题依据

2苊并吡嗪类染料的合成研究

2.1原料与实验仪器

2.2中间体的合成

2.2.1 N-丁基苯胺1的合成

2.2.2中间体4,5-二氨基邻苯二甲腈4的合成

2.3 8,9-二羧基-苊并吡嗪化合物的合成

2.3.1 5-硝基苊醌5的合成

2.3.2 5-溴苊醌6的合成

2.3.3 5-甲氧基苊醌7a的合成

2.3.4 5-二苯胺-苊醌7b的合成

2.3.5 5-(N-丁基)-苯胺-苊醌7c的合成

2.3.6 5-(N-甲基)-苯胺-苊醌7d的合成

2.3.7 3-甲氧基-8,9-二氰基-苊并吡嗪8a的合成

2.3.8 3-二苯胺-8,9-二氰基-苊并吡嗪8b的合成

2.3.9 3-(N-丁基)-苯胺-8,9-二氰基-苊并吡嗪8c的合成

2.3.10 3-(N-甲基)-苯胺-8,9-二氰基-苊并吡嗪8d的合成

2.3.11 3-甲氧基-8,9-二羧基-苊并吡嗪9a的合成

2.3.12 3-二苯胺-8,9-二羧基-苊并吡嗪9b的合成

2.3.13 3-(N-丁基)-苯胺-8,9-二羧基-苊并吡嗪9c的合成

2.3.14 3-(N-甲基)-苯胺-8,9-二羧基-苊并吡嗪9d的合成

2.4 8,9-二羧基-苊并吡嗪并苯化合物的合成

2.4.1 3-甲氧基-8,9-二氰基-苊并吡嗪并苯10a的合成

2.4.2 3-二苯胺-8,9-二氰基-苊并吡嗪并苯10b的合成

2.4.3 3-(N-丁基)-苯胺-8,9-二氰基-苊并吡嗪并苯10c的合成

2.4.4 3-(N-甲基)-苯胺-8,9-二氰基-苊并吡嗪并苯10d的合成

2.4.5 3-甲氧基-8,9-二羧基-苊并吡嗪并苯11a的合成

2.4.6 3-二苯胺-8,9-二羧基-苊并吡嗪并苯11b的合成

2.4.7 3-(N-丁基)-苯胺-8,9-二羧基-苊并吡嗪并苯11c的合成

2.4.8 3-(N-甲基)-苯胺-8,9-二羧基-苊并吡嗪并苯11d的合成

2.5单羧基-苊并吡嗪并苯化合物的合成

2.5.1 3-甲氧基-8-氰基-苊并吡嗪并苯与3-甲氧基-9-氰基-苊并吡嗪并苯12a的合成

2.5.2 3-二苯胺-8-氰基-苊并吡嗪并苯与3-二苯胺-9-氰基-苊并吡嗪并苯12b的合成

2.5.3 3-(N-丁基)-苯胺-8-氰基-苊并吡嗪并苯与3-(N-丁基)-苯胺-9-氰基-苊并吡嗪并苯12c的合成

2.5.4 3-(N-甲基)-苯胺-8-氰基-苊并吡嗪并苯与3-(N-甲基)-苯胺-9-氰基-苊并吡嗪并苯12d的合成

2.5.5 3-甲氧基-8-羧基-苊并吡嗪并苯与3-甲氧基-9-羧基-苊并吡嗪并苯13a的合成

2.5.6 3-二苯胺-8-羧基-苊并吡嗪并苯与3-二苯胺-9-羧基-苊并吡嗪并苯13b的合成

2.5.7 3-(N-丁基)-苯胺-8-羧基-苊并吡嗪并苯与3-(N-丁基)-苯胺-9-羧基-苊并吡嗪并苯13c的合成

2.5.8 3-(N-甲基)-苯胺-8-羧基-苊并吡嗪并苯与3-(N-甲基)-苯胺-9-羧基-苊并吡嗪并苯13d的合成

2.6本章小结

3 3-甲氧基苊并吡嗪类染料在染料敏化太阳能电池上的应用研究

3.1 染料的紫外可见吸收光谱

3.1.1染料在溶液中的紫外-可见吸收光谱测定方法

3.1.2染料的紫外-可见吸收光谱

3.2染料的基态和激发态氧化还原电位

3.2.1染料的电化学性能测试方法

3.2.2染料的荧光发射光谱测定方法

3.2.3染料的基念和激发态氧化还原电位

3.3染料的光电性能

3.3.1 电池的组装

3.3.2 J-V曲线的测定方法

3.3.3 J-V曲线图

3.3.4光电流工作谱测定方法

3.3.5光电流工作谱

3.3.6光电性能数据

3.4本章小结

4 3-苯胺苊并吡嗪染料在染料敏化太阳能电池上的应用研究

4.1染料的紫外可见吸收光谱

4.1.1染料在溶液中的紫外-可见吸收光谱测定方法

4.1.2染料在TiO2膜上的紫外-可见吸收光谱测定方法

4.1.3染料的紫外-可见吸收光谱

4.2染料的基态和激发态氧化还原电位

4.2.1染料的电化学性能测试方法

4.2.2染料的荧光发射光谱测定方法

4.2.2染料的基态和激发态氧化还原电位讨论

4.3染料的光电性能

4.3.1 J-V曲线的测定方法

4.3.2 J-V曲线图

4.3.3光电流工作谱测定方法

4.3.4光电流工作谱

4.3.5光电性能讨论

4.4染料与TiO2的结合形式

4.4.1苊并吡嗪类染料在TiO2膜上的结合形式的测试方法

4.4.2染料与TiO2的结合形式讨论

4.5密度泛函理论计算

4.6本章小结

结 论

参考文献

附录A论文中涉及重要化合物的核磁谱图

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢