染料敏化太阳电池中卟啉敏化剂和钴基电解质的研究

摘要

由于染料敏化太阳电池（Dye Sensitized Solar Cell，DSSC）具有成本低、易制作、原料充足以及绿色环保等特点，因此成为了替代硅基太阳电池和薄膜太阳电池的光电转换设备的有力候选。
　　染料光敏化剂和电解质作为染料敏化太阳电池的重要组成部分，受到了人们极大的关注。卟啉类敏化剂以其较好的光响应能力、相对较高的摩尔吸光系数以及良好的化学稳定性等优点成为近年来染料敏化太阳电池领域的研究热点。而钴基配合物电解质因具有较低的氧化还原电对、较大的开路电压以及能够有效地抑制电子复合等特点吸引着研究人员的探索热情。
　　本论文作为国家自然科学基金项目（ NO.21171084）与973项目子课题（2011CBA00701）的部分工作，主要取得了以下几个方面的研究成果：
　　一、ZnYD系列卟啉敏化剂化合物的理论研究
　　采用密度泛函理论（DFT）的方法，在 B3LYP/LANL2DZ水平上完成了对供体ZnYDR（R=H）和B-H（B、C、D、E、F、G、H）七种含有苯并噻二唑的炔基桥连受体基团的结构优化和频率计算，确保了供体和受体组成分子的可行性。采用相同的方法对组成的ZnYD系列候选分子（ZnYDB、ZnYDC、ZnYDD、ZnYDE、ZnYDF、ZnYDG、ZnYDH）及参比分子（YD2-o-C8，SM315）进行了结构优化，频率、分子轨道分布及组成、分子内部电子空间分部的计算。采用含时密度泛函理论（TD-DFT）的方法，在 B3LYP/LANL2DZ水平上模拟计算了候选分子和参比分子在四氢呋喃（THF）中的电子吸收光谱，并对ZnYD系列候选分子与参比分子进行了分子轨道能级、分子轨道分布和电子吸收光谱的比较和分析。计算结果表明，SM315和 ZnYD系列分子在600~700nm出现电子吸收，这预示着苯并噻二唑有助于SM315和ZnYD系列分子的Q带吸收峰红移。
　　二、ZnSM系列卟啉敏化剂化合物的理论研究
　　采用DFT的方法，在B3LYP/LANL2DZ水平上完成了对供体ZnSMR（R=H）和 C-G（C、D、E、F、G）五种含有苯并噻二唑的炔基桥连受体基团的结构优化和频率计算，确保了供体和受体组成分子的可行性。采用相同的方法对组成的ZnSM系列候选分子（ZnSMC、ZnSMD、ZnSME、ZnSMF、ZnSMG）及参比分子（YD2-o-C8， SM315）进行了结构优化，频率、分子轨道分布及组成、分子内部电子空间分部的计算。采用TD-DFT的方法，在B3LYP/LANL2DZ水平上模拟计算了候选分子和参比分子在 THF中的电子吸收光谱。计算结果表明， SM315和 ZnSM系列分子在650-680nm处有电子吸收，这预示着苯并噻二唑有助于SM315和ZnSM系列分子的Q带吸收峰红移。
　　三、ZnPor系列卟啉敏化剂化合物的理论研究
　　采用DFT的方法，在B3LYP/LANL2DZ水平上完成了对供体ZnPorR（R=H）和A-G（A、B、C、D、E、F、G）七种含有苯并噻二唑的炔基桥连受体基团的结构优化和频率计算，确保了供体和受体组成分子的可行性。采用相同的方法对组成的ZnPor系列候选分子（ZnPorA、ZnPorB、ZnPorC、ZnPorD、ZnPorE、ZnPorF、ZnPorG）及参比分子（YD2-o-C8，SM315）进行了结构优化，频率、分子轨道分布及组成、分子内部电子空间分部的计算。采用TD-DFT的方法，在B3LYP/LANL2DZ水平上模拟计算了候选分子和参比分子在THF中的电子吸收光谱，计算结果表明SM315和除了ZnPorA之外的ZnPor系列分子在650-670nm处都有吸收，这预示着苯并噻二唑有助于SM315和除了ZnPorA之外的ZnPor系列分子的Q带吸收峰红移。
　　四、CoTpy系列钴基电解质化合物的理论研究
　　采用DFT的方法，在B3LYP/LANL2DZ水平上对CoTPy系列候选分子和参比分子 FK269在正二价态下进行了结构优化和频率计算。然后在分子正二价态下，对它们的分子轨道能级进行了计算。最后采用 TD-DFT的方法，在 B3LYP/LANL2DZ水平上对候选分子和参比分子在 THF中的电子吸收光谱进行了计算，计算结果表明CoTpy1和CoTpy2可能最适合作为做DSSC中的电解质。
　　五、1,3-二（吡啶-2-基）吡唑的合成
　　联吡啶类配体具有结构易修饰及化学稳定性相对较强等性质，因此其不仅在有机合成领域中具有重要的地位，而且还被广泛地用于合成金属螯合配合物。在染料敏化太阳电池中，以联吡啶类化合物作为配体的钴基联吡啶类配合物电解质因具有较低的氧化还原电对、较大的开路电压以及能够有效地抑制电子复合等优点也成为近年来DSSC领域研究的热点。本章中，我们对1,3-二（吡啶-2-基）吡唑的合成方法进行了改进，改进后的方法在操作上不仅省时省力，而且得到的目标产物易提纯，产率高，这为快速高效制备出更多吡唑联吡啶类的化合物提供了可能。

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前言

第一章 绪 论

1.1 染料敏化太阳电池

1.2 染料光敏化剂

1.3 氧化还原电解质

1.4 本课题的选题背景和研究意义

第二章 ZnYD系列卟啉敏化剂的理论研究

2.1 引言

2.2 计算方法

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第三章 ZnSM系列卟啉敏化剂的理论研究

3.1 引言

3.2 计算方法

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 ZnPor系列卟啉敏化剂的理论研究

4.1 引言

4.2 计算方法

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 CoTpy系列钴基电解质的理论研究

5.1 引言

5.2 计算方法

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

第六章 1,3-二（吡啶-2-基）吡唑的合成

6.1 引言

6.2 药品试剂

6.3 1, 3-二（吡啶-2-基）吡唑的合成方法

6.4 本章小结

第七章 总结

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文