染料敏化太阳能电池中电解质的研究和染料的量子设计

摘要

伴随着经济的迅速发展，人类对能源的需求量越来越大。而传统能源的日益枯竭促使人们越来越关注新能源的开发和利用。太阳能作为一种清洁的可再生能源，已经引起了广泛的关注，被认为是传统能源的最佳替代者。瑞士的Gratzel研究小组发展的染料敏化太阳能电池的光电转化效率超过了11％，其技术指标已经很接近实际应用的要求。但是，常规染料敏化电池中常采用的有机电解液为液态，其流动性会造成电池使用寿命的迅速缩短，因此限制了敏化电池的实际应用。 本文第一部分的工作设想主要是通过制备具有高稳定性的支架材料来固化染料敏化电池中的液态电解质，从而降低电解液的流动性和挥发性，提高染料敏化电池的使用寿命，以期能够推动染料敏化电池的实际应用。本部分的内容包括以下几个方面： 1．利用原位溶胶一凝胶法合成了聚乙二醇杂化的ZnO纳米粒子，此种纳米粒子中聚乙二醇分子通过化学键连接到纳米粒子表面，具有较高的热稳定性。将这种复合纳米粒子作为支架材料对有机电解液进行固化得到一种凝胶电解质，并用其组装准固态染料敏化太阳能电池。 实验结果显示，利用这种复合纳米粒子作为支架材料制备的凝胶电解质在室温下的电导率超过10<'-4>S/cm，同时由于复合纳米粒子对有机电解液的固化作用，极大地降低了凝胶电解质的流动性。利用这种凝胶电解质制备的染料敏化电池光电转化效率仅为3.1％。通过进一步的实验我们发现，如果在电解质中添加叔丁基吡啶，则可以显著提高短路光电流值，电池的光电转化效率达到了5％。此外我还将此类准固态电池与基于传统ZnO纳米粒子的准固态电池的寿命进行了比较。由于复合粒子的稳定性很强，所以采用复合纳米粒子的电解质中没有发生分层现象，组装的准固态染料敏化电池具有更高的热稳定性。 同时，我们还发现纳米颗粒相对较大的TiO<,2>电极在准固态电解质中具有更好的使用效果，这一现象说明在准固态电池中，电极与电解质之间的接触性能是影响电池性能的决定因素。 2．利用相分离方法制备了多孔聚合物薄膜，并以此种薄膜作为支架材料组装了具有较高光电转化效率和长寿命的准固态染料敏化电池。 在聚合物溶液中加入造孔剂一水，去除溶剂后即可得到具有多孔结构的聚合物薄膜，这种薄膜的多孔性使其具有极强的吸液能力。随着加入水量的增加，聚合物薄膜的吸液能力也会提高，所得到的凝胶聚合物薄膜的电导率也随之提高。这种电解质薄膜的保液能力也很强，在室温下保存8天之后，其电导率无明显下降。 控制mmo/m<,polymer>=1.5，制备的凝胶电解质薄膜被用来组装准固态染料敏化电池。实验发现，电解质薄膜的厚度会显著影响电池的光电性能，电解质层厚度增加会显著地降低电池的短路光电流值和光电转化效率，对开路电压值却没有明显的影响。我们利用厚度为30μm的电解质薄膜可以得到光电转化效率为6.0％的准固态电池，其性能明显优于利用传统聚合物凝胶电解质的准固态电池。这种准固态电池在储存8天之后仍能保持其初始效率的77％，拥有较理想的使用寿命。 此外，敏化剂的选择也是决定染料敏化电池效率的一个重要因素，但目前对敏化剂的研究手段主要是实验方法，目的性不强，易造成时间和原料的浪费。 在本论文的第二部分，我们尝试利用理论模拟方法对联吡啶钌类染料和香豆素类有机染料的性质进行研究，期望可以得到对实验具有指导意义的结论。这部分内容主要包括以下两个方面： 1．染料分子的太阳光利用率以及激发态染料分子到半导体导带的电子注入量子产率是决定染料敏化电池光电转化效率的两个决定性因素。在本项工作中，利用密度泛函(DFT)方法对[Ru(4，4’-COO<'->-2,2’-bpy)<,2>NCS<,2>]<'4+>分子及两种类似配合物(1)[Ru(4，4’-COO<'->-2,2’-bpy)<,2>CN<,2>]<'4+>、(2)[Ru(4，4’-COO<'->-2,2’-bpy)<,3>]<'4+>的相关性质进行了详尽的研究。计算结果显示，配体L的变化对配合物几何构型的影响不大，却对配合物的电子结构分布产生了巨大影响。 与实验结果比较发现，理论计算方法可以较准确地模拟联吡啶类配合物在乙醇溶液中的吸收光谱，并可对三种染料各吸收带的性质进行准确地描述。计算结果表明，N3<'4->分子的吸收带相对于其它两种染料有明显的红移，配合物1和2较低的太阳光吸收效率是其光电性能相对较差的重要原因。 染料分子激发态能级与TiO<,2>导带边位置之间的能隙差可作为半导体纳米粒子表面电荷注入过程的驱动力量度。对于具有不同时间常数的两种电荷注入过程，N3<'4->分子都具有相对较大的驱动力。配合物1和2的电子注入过程速率相对较小，这可能是其光电性能差的另一个重要原因。 由此可见，N3<'4->分子不仅具有在长波范围内的较强吸收带，而且其激发态分子具有较大的电子注入驱动力，这两点性质对其光电转化过程都是有利因素。总的来说，利用理论计算的方法可以成功地预测联吡啶钌染料这两方面的性质，从而有效地指导联吡啶染料的结构修饰。 2．联吡啶钌配合物的分子量较大，在利用理论计算方法对其进行分子设计过程中遇到了计算机处理能力不足的问题，这就导致了在前一项工作中仅仅利用理论计算方法解释了实验现象，而没有进行新染料的设计工作，成为此项工作中的一点缺憾。而在本章中，我们选取了分子量相对较小的香豆素类染料作为研究对象，希望可以利用理论计算方法对染料进行分子设计。我们利用密度泛函方法对香豆素类染料的激发态性质进行了详尽的研究。计算结果显示，共轭碳链的扩展会引起染料分子吸收光谱的显著红移：NKX-2398和NKX-2388的吸收带相对于NKX-2311的吸收带处于短波方向，因此NKK-2311的太阳光利用率要高于其它两种染料，这可能就是这两种染料比NKX-2311光电性能差的原因。 染料分子的激发态能级与TiO<,2>导带边能级之间的能隙差可以作为界面上电子注入过程驱动力的量度，计算结果表明NKX-2311电子注入过程的驱动力要比NKX-2586的驱动力更大。总的来说，NKX-2311具有较高的太阳光利用率以及合适的激发态能级，这是其具有优异光电性能的重要原因。 HOMO轨道能级与染料的氧化电位之间具有良好的线性相关性，所以理论模拟得到的吸收光谱和HOMO轨道能级可以作为两个量度来衡量香豆素类染料的光电性能。基于这一结论，我们可以在染料分子合成之前通过理论计算对其性能进行推测，从而指导染料分子的合成。我们以NEX-2311分子为基础，尝试了不同的取代基和取代位，设计出了一系列的模型化合物。理论计算的结果显示在取代位d引入具有给电子性能的取代基或是在取代位中引入具有空间位阻的两种取代基都可能得到性能更优异的染料分子。此计算结果可以大大简化香豆素类染料分子设计和结构优化的步骤，对实验具有一定的指导意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 前言

1.1引言

1.2染料敏化太阳能电池的结构、工作原理和技术指标

1.2.1染料敏化太阳能电池的组成部分

1.2.2染料敏化太阳能电池的工作原理

1.2.3评价染料敏化太阳能电池的技术指标

1.3纳米晶半导体电极的制备技术

1.4纳米晶电极的敏化

1.4.1联吡啶钌配合物

1.4.2有机染料

1.4.3染料与纳米晶膜的结合方式

1.5染料敏化太阳能电池的电解质体系

1.5.1液态电解质在染料敏化电池中的应用

1.5.2固态电解质在染料敏化电池中的应用

1.5.3准固态电解质在染料敏化电池中的应用

1.6染料敏化太阳能电池的对电极

1.7量子化学计算在染料敏化电池中的应用

1.8本论文的主要研究思路

参考文献

第二章实验技术和仪器

2.1扫描电子显微技术(SEM)

2.2紫外可见吸收光谱(UV-Vis)

2.3热重分析(TG)

2.4交流阻抗法(Ac impedance)

2.5薄膜机械强度的测试

2.6光电化学测试

参考文献

第三章二氧化钛纳米晶电极的制备及其光电性能的测试

3.1引言

3.2实验部分

3.2.1试剂与材料

3.2.2 TiO2涂料的制备

3.2.3 TiO2纳米晶膜的制备

3.2.4染料敏化电池的组装

3.2.5染料敏化电池光电性能的测试

3.3结果与讨论

3.4小结

参考文献

第四章PEGMe修饰的ZnO纳米粒子在染料敏化太阳能电池中的应用

4.1引言

4.2实验部分

4.2.1试剂与材料

4.2.2 PEGME-ZnO复合纳米粒子的制备

4.2.3醋酸根修饰的ZnO纳米粒子的制备

4.2.4电解质电导率的测试

4.2.5电池的组装和光电性能的测试

4.3结果与讨论

4.3.1复合纳米粒子电解质的电导率

4.3.2凝胶电解质的制备

4.3.3光电性能的测试

4.3.4电解质和电池热稳定性的测试

4.4小结

参考文献

第五章PVDF-HFP多孔膜在染料敏化太阳能电池中的应用

5.1引言

5.2实验部分

5.2.1试剂和材料

5.2.2多孔聚合物基质膜的制备

5.2.3凝胶聚合物薄膜的制备和表征

5.2.4聚合物薄膜机械性能的测试

5.2.5染料敏化电池的组装与热稳定性测试

5.3结果与讨论

5.3.1多孔聚合物薄膜的结构

5.3.2凝胶聚合物薄膜的电导率

5.3.3准固态染料敏化电池的组装和测试

5.4小结

参考文献

第六章联吡啶钌配合物激发态行为的理论研究

6.1引言

6.2理论基础及计算方法

6.2.1 DFT方法的理论背景

6.2.2本章中的计算方法

6.3结果与讨论

6.3.1染料的几何构型

6.3.2染料在乙醇溶液中的电子结构和紫外-可见吸收光谱

6.3.3电子注入过程的驱动力

6.4小结

参考文献

第七章香豆素类有机染料激发态行为的理论研究及分子设计

7.1引言

7.2理论计算的方法

7.3结果与讨论

7.3.1染料在乙醇溶液中的吸收光谱及电子结构

7.3.2染料的电子注入效率

7.3.3可用于判断香豆素类染料光电性能的理论参数

7.3.4新型香豆素类染料的分子设计

7.4小结

参考文献

在校期间发表的文章

致谢