含二级供电基团的三聚茚基光敏染料的合成及其光伏性能研究

摘要

在当今时代能源日益短缺、环境污染严重的社会大背景下，太阳能因其绿色、清洁、无污染而吸引着人们的目光。染料敏化太阳能电池(DSSCs)作为传统太阳能电池的替代品，因其低成本、高光电转换效率受到广泛的关注。三苯胺及其衍生物是著名的富电子化合物，在光学和电子领域有诸多应用。本论文以三苯胺（TPA）、双己氧基取代三苯胺（DHO-TPA）、己基吩噻嗪（H-PTZ）作为三芳胺光敏染料的一个供体单元,并以三聚茚基作为另一个供体单元，设计和合成三种非对称三聚茚基三芳胺有机染料（M40-42）。在推拉式染料中引入具备三维刚性结构的六己基取代三聚茚基团，使得染料具有良好的光稳定性和化学稳定性，能够有效的抑制电子从TiO2膜导带中反向流出与电解质发生电子复合。并应用两种钴基电解质([Co(phen)3]2+/3+,[Co(bpy)3]2+/3+)制备太阳能电池，研究光伏性能与染料结构的关系。
　　主要合成反应包括：布赫瓦尔德（Buchwald?Hartwig）偶联反应，维尔斯迈尔－哈克（Vilsmeier-Haack）反应以及克脑文格尔（Knoevenagel）缩合等，关键中间体和目标产物通过核磁、质谱等现代分析手段表征。我们通过光吸收测试、电化学性质测试、理论计算、光伏性能测试，来比较敏化剂的光吸收能力、能级以及影响电池光伏性能的电子转移动力学。
　　通过光吸收测试可知，三种染料在紫外可见光区域均有较宽较强的吸收，染料M41具有最强的光捕获能力，M41的最大吸收波长（λmax）为543 nm，在最大波长处的摩尔吸光系数（ε）为69.1×103 M-1cm-1。经计算和分析，染料M40-42的HOMO和LUMO能级都与二氧化钛和电解质能级相匹配，在光照条件下，染料电子供体中电子能够成功的转移到电子受体中，从而注入到TiO2导带中。这些测试结果表明M40-42符合作为太阳能电池光敏化剂的基本条件。
　　染料M40、M41敏化的太阳能电池的光伏性能测试发现，光敏染料M40敏化的太阳能电池使用Co-phen电解质在标准模拟太阳光照下（standard AM1.5）下电流密度可达14.32 mA cm–2，开路电压可达907 mV，填充因子为0.68，光电转换效率高达8.83％，明显高于染料M41敏化太阳能电池（7.81％）。从IMVS测试结果来看，染料M40敏化的太阳能电池的电子寿命更长；另外，从能级谱图可知，染料M40敏化的太阳能电池的还原再生驱动力最高，氧化态染料的还原再生效率较高。综合这两种优势，染料M40敏化的太阳能电池的最终的光电转换效率(PCE)远远高于M41敏化的钴配合物性太阳能电池的光电转换效率，表明三苯胺作为二级供电基团在钴电池的中表现令人满意的光电性能。因此，在未来有机敏化剂的设计中，我们应当注重三苯胺（TPA）单元作为供电体的重要作用。

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引言

第一章 文献综述

1.1 太阳能电池的研究概况

1.1.1 太阳能电池的发展与分类

1.1.2 染敏化太阳能电池研究状况

1.2 染料敏化电池概述

1.2.1 DSSCs的结构组成

1.2.2 DSSCs的工作原理

1.2.3 DSSCs主要评价指标

1.3 电解质研究概述

1.3.1 电解质的发展及分类

1.3.2 碘电解质（I-/I3-）

1.3.3 钴电解质

1.4 光敏染料研究概述

1.4.1 光敏染料的发展及分类

1.4.2 光敏染料的选择标准

1.5 选题研究内容及论文结构

第二章 实验部分

2.1 试剂与仪器设备

2.2 试剂的提纯

2.3 染料的合成

2.3.1 目标染料及主要中间体的合成路线

2.3.2 染料的具体合成过程及主要产物表征

2.4 电解质合成

2.5 本章小结

第三章 DSSCs的制备、测试及结果分析

3.1 DSSCs的制备

3.1.1 DSSCs制备的准备工作

3.1.2 DSSCs制作流程

3.2 染料M40与M41的性能测试与结果讨论

3.2.1 吸收光谱

3.2.2 电化学性质测试

3.2.3 计算分析

3.2.4 光伏性能测试

3.3 染料M42的光学、电化学及电池性能测试

3.3.1染料光物理测试

3.3.2染料电化学测试

3.3.3 DSSCs的光伏性能测试

3.4 本章小结

第四章 结论

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢