双D-π-A型光敏染料的合成及其在染料敏化太阳能电池中的应用

论文摘要

光敏染料在染料敏化太阳能电池中扮演着至关重要的角色,设计合成优良的染料将会有利于电池性能的提高。为了降低染料敏化太阳能电池的成本,提高电池的光电转换效率,解决染料吸附量和染料聚集之间的矛盾,在总结前人工作的基础上,我们探索了采用具有双D-π-A新型光敏染料作为敏化剂在染料敏化太阳能电池的应用。本论文共设计合成了8个具有双D-π-A新型纯有机光敏染料,其中包括1个咔唑基双D-π-A型光敏染料、4个不对称双D-π-A型光敏染料和3个吩噻嗪基双D-π-A型光敏染料。同时,利用质谱、核磁共振氢谱和碳谱对这些化合物进行了结构表征。并且研究了它们的光物理性质,最后将其应用于染料敏化太阳能电池,系统地考察了光敏染料结构与电池性能之间的关系。研究发现,基于咔唑基双D-π-A型光敏染料的电池性能与相应的单D-π-A结构的染料的性能相比较,实现了效率的显著提高（提高约2.4倍）,预示着双D-π-A型构想的合理性和巨大的研究前景。对于咔唑基不对称双D-π-A型染料,我们实现了通过基团互补达到扩大染料的吸光范围,进而提高电池效率的目的。结果表明,这种不对称结构染料相对于单D-π-A结构染料来说,性能仍然提高了。而且,在光谱吸收方面,吩噻嗪的引入拓宽了染料在可见光的吸收。此外,还发现富电子的芳胺基团:咔唑、吲哚及吩噻嗪,它们的供电子能力的强弱顺序如下:吩噻嗪>咔唑>吲哚。基于吩噻嗪为电子给体的具有双D-π-A结构的光敏染料中,DBD-Hex的性能最好,电池最高效率达4.22%,同时基于单D-π-A型染料及N719的电池效率为2.91%和5.75%。相对于单D-π-A结构染料提高约40%,达到N719的70%的水平。此外,通过染料吸附量的测试,不同溶剂染浴以及加入阻聚剂（CDCA）对电池性能的影响,分析了吩噻嗪基双D-π-A型染料相对于单D-π-A型染料性能提高的可能原因:（1）前者的吸附能力强于后者,有更多的光捕获单元;（2）连接双D-π-A单元的烷基链起到了阻止I3-接近TiO2表面与电子复合,抑制暗电流的作用;（3）前者相对于后者不易聚集,从而提高了电流密度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 前言
• 1.2 染料敏化太阳能电池简介
• 1.2.1 染料敏化太阳能电池（DSCs）的构造及其工作原理
• 1.2.2 评价染料敏化太阳能电池性能的指标
• 1.2.3 染料敏化太阳能电池的发展现状
• 1.3 不含金属有机光敏染料的研究进展
• 1.3.1 基于N-烷基的D-π-A 光敏染料
• 1.3.2 基于香豆素的D-π-A 光敏染料
• 1.3.3 基于三苯胺的D-π-A 光敏染料
• 1.3.4 基于吲哚啉的D-π-A 光敏染料
• 1.3.5 包含芴三芳胺结构的D-π-A 光敏染料
• 1.3.6 基于咔唑的D-π-A 光敏染料
• 1.3.7 基于吩噻嗪的D-π-A 光敏染料
• 1.3.8 包含新型π-桥的D-π-A 光敏染料
• 1.4 本课题的研究意义、内容及创新之处
• 1.4.1 本课题的研究意义
• 1.4.2 本课题的研究内容
• 1.4.3 本课题的创新之处
• 第二章 双D-π-A 型光敏染料的设计、合成与表征
• 2.1 实验仪器与试剂
• 2.1.1 实验所用仪器及规格
• 2.1.2 实验主要试剂
• 2.2 双D-π-A 型光敏染料的设计、合成与表征
• 2.2.1 咔唑基双D-π-A 型染料的设计与合成
• 2.2.2 不对称双D-π-A 型染料的设计与合成
• 2.2.3 吩噻嗪基双D-π-A 型染料的设计与合成
• 2.3 本章小结
• 第三章 电池的组装、测试与化合物性质的测试方法
• 3.1 实验仪器与试剂
• 3.1.1 实验所用主要仪器及规格
• 3.1.2 实验主要试剂
• 3.2 光阳极膜的制备
• 3.2.1 导电玻璃（FTO）的预处理
• 2 浆料的制备'>3.2.2 Ti0₂浆料的制备
• 3.2.3 染料溶液的配制
• 3.2.4 Ti02 光阳极膜的制备
• 3.3 对电极的制备
• 3.4 电解质溶液的配制
• 3.5 DSCs 的组装
• 3.6 DSCs 的光伏性能测试
• 3.7 紫外可见吸收光谱和荧光发射光谱测试
• 3.8 染料吸附量的测试
• 3.9 本章小结
• 第四章 双D-π-A 型光敏染料的光物理性质及光伏性能
• 4.1 咔唑基双D-π-A 型染料
• 4.1.1 紫外可见吸收光谱
• 4.1.2 咔唑基双D-π-A 型染料的光伏性能
• 4.2 不对称双D-π-A 型染料
• 4.2.1 紫外可见吸收光谱
• 4.2.2 不对称双D-π-A 型染料的光伏性能
• 4.3 吩噻嗪基双D-π-A 型染料
• 4.3.1 紫外可见吸收光谱
• 4.3.2 吩噻嗪基双D-π-A 型染料的光伏性能
• 4.3.3 基于DBD-Hex 染料的DSCs 性能优化
• 4.4 本章小结
• 结论与展望
• 一、结论
• 二、展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 答辩委员会对论文的评定意见