新型三苯胺类和卟啉类染料敏化剂的合成及其在DSSC中的应用

摘要

太阳能作为一种清洁可再生的能源，在日常生活中得到广泛的应用。太阳能电池是一种能够直接把光能转化成电能的装置，染料敏化太阳能电池作为最新一代的太阳能电池，具有制造成本低廉，加工工艺简单，材料来源广泛等优点，为人类对太阳能大规模的应用提供了可能。染料敏化剂作为DSSC的核心部分，对整个电池的最终效率和稳定性起着至关重要的作用。目前应用到DSSC中的有机染料种类繁多，但从结构上分析，其中相当大部分染料敏化剂都由电子给体-桥联基团-电子受体(D-π-A)三部分组成。这主要是因为 D-π-A染料在激发态下能够发生有效的分子内电子转移。此外D-π-A染料的结构优化相对方便，电子给体、电子受体和π共轭体系可分别独立修饰，为探究染料结构与光电转换性能间的相互关系创造了便利的条件。
　　本文首先设计合成了经四苯基苯修饰的三苯胺染料(LL01–03)，3种染料的电子给体均为树枝状三苯胺，电子受体均为氰基丙烯酸，电子给体和电子受体之间分别通过噻吩、呋喃、双噻吩连接。还合成了未经修饰的三苯胺染料LL04作为参比染料。我们详细研究了这4种染料的光物理性质和电化学性质，发现在电子给体和电子受体相同的情况下通过改变桥联基团的种类，能够改善染料的吸收光谱和分子能级。将这4种染料成功应用于染料敏化太阳能电池中，其中LL03获得了最高的光电转化效率6.30％(Voc=675 mV,Jsc=14.8mA cm?2,FF=0.65)。其次，设计合成了经吩噻嗪修饰的卟啉染料(LL05–08)，4种新型的卟啉染料均以吩噻嗪–卟啉作为电子给体，羧酸作为电子受体，通过改变桥联基团的种类来调节染料分子的光谱吸收和能级分布。详细研究了这4种染料的光物理性质和电化学性质，并将其成功应用于染料敏化太阳能电池。研究发现在电子受体部分引入强拉电子的氰基，可以大幅度提升其电池的开路电压。在桥联部分引入乙炔基后，可以提升其电池的短路电流密度。在4种卟啉染料中， LL08获得了最高的光电能量转化效率6.25%(Voc=677 mV,Jsc=15.3mA cm?2,FF=0.60)。

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第一章 前言

第一节 太阳能电池

1.1.1 太阳能电池的研究背景

1.1.2 太阳能电池研究的历史与发展

1.1.3 太阳能电池的分类

1.1.4 太阳能电池研究的意义

第二节 染料敏化太阳能电池

1.2.1 染料敏化太阳能电池的结构和工作原理

1.2.2 染料敏化太阳能电池的测试手段

1.2.3 染料敏化太阳能电池的光阳极材料

1.2.4 染料敏化太阳能电池的对电极材料

1.2.5 染料敏化太阳能电池的电解质

1.2.6 染料敏化太阳能电池的染料敏化剂

第三节 立题思路

参考文献

第二章 新型三苯胺类染料敏化剂的合成及其在DSSC中的应用

第一节 引言

第二节 结果与讨论

2.2.1 目标化合物的合成与讨论

2.2.2 染料的紫外可见吸收光谱

2.2.3 染料的电化学性质

2.2.4 染料的密度泛函理论计算

2.2.5 溶剂对染料电池性能的影响

2.2.6 染料的光电转化效率测试

2.2.7 染料的吸附量测试

2.2.8 染料的交流阻抗测试

第三节 本章小结

第四节 实验部分

2.4.1 实验试剂

2.4.2 实验仪器

2.4.3 DSSC的制备与测试

2.4.4 相关化合物的合成

参考文献

第三章 新型卟啉类染料敏化剂的合成及其在DSSC中的应用

第一节 引言

第二节 结果与讨论

3.2.1 目标化合物的合成与讨论

3.2.2 染料的紫外可见吸收光谱

3.2.3 染料的电化学性质

3.2.4 染料的密度泛函理论计算

3.2.5 溶剂对染料电池性能的影响

3.2.6 染料的光电转化效率测试

3.2.7 染料的吸附量测试

3.2.8 染料的交流阻抗测试

第三节 本章小结

第四节 实验部分

3.4.1 实验试剂

3.4.2 实验仪器

3.4.3 DSSC的制备与测试

3.4.4 相关化合物的合成

参考文献

第四章 总结与展望

附录 论文中重要化合物的核磁谱图

致谢

个人简历及在学期间发表的学术论文与研究成果