D-π-A型有机染料的设计合成及其在染料敏化太阳能电池和金属离子识别中的应用

论文摘要

染料敏化太阳能电池由于制备工艺简单,制造成本低廉,成为近年来太阳能光电转换领域的研究热点。D-π-A型有机染料种类多、光物理性质调控方便、易于制备和提纯,其使用有望提高电池的效率和降低电池的成本。但同钌多吡啶配合物相比,有机染料所能获得的电池开路光电压偏低,这主要是源于电荷复合。为了抑制导带电子与电解质间以及导带电子与氧化态染料间的电荷复合,我们设计合成了带有长烷基链的D-π-A型有机染料以及具有多个芳胺基团的D-π-A型有机染料,研究了它们对TiO2光阳极的敏化行为。带有长烷基链的D-π-A型有机染料的电子受体均为罗丹宁乙酸结构。罗丹宁基团由于包含对金属离子具有较强结合能力的N、O和S原子,在比色定性和定量检测重金属离子方面有重要应用。我们利用长烷基链的疏水作用在DMSO/H2O混合溶剂中方便的获得了染料的聚集体,比较了染料单体和聚集体对10种过渡金属离子的光谱响应行为。主要研究结果如下:1.设计合成了6个以罗丹宁乙酸为电子受体、饱和脂肪链取代苯胺为电子给体的D-π-A型有机光敏染料（R-2、R-M-2、R-8、R-M-8、R-16和R-M-16）应用于染料敏化太阳能电池。发现长烷基链有利于电池开路光电压的提高,但烷基链并非越长越好。利用脂肪酸与这些染料共同敏化TiO2光阳极,进一步提高了染料分子的敏化效果,且脂肪酸的链长与染料分子大小相近时电池的光电转换效率最高。2.设计合成了分别含有1、2和3个芳胺单元的D-π-A型有机光敏染料（C1、C2和C3）应用于染料敏化太阳能电池。发现芳胺基团呈线型排布时（C2）,电池的开路光电压最高,这可能是由于空穴可以离域到距TiO2表面更远的位置。而对于C3分子,由于分子尺寸过大,吸附量显著减少,致使敏化TiO2光阳极的能力反而降低。3.在DMSO/H2O混合溶剂中通过调控水的含量获得聚集程度、甚至方式不同的R-16聚集体,发现R-16单体和聚集体对10种过渡金属离子(Fe2+, Fe3+,Co2+, Ni2+, Zn2+, Cd2+, Hg2+, Cu2+, Ag+, Pb2+)呈现出明显不同的光谱响应行为。随水含量增加,聚集体与更多种类的过渡金属离子发生作用,这归因于聚集体中R-16分子间的协同作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目标分子的结构式
• 第一章 综述
• 第一节 引言
• 第二节 染料敏化太阳能电池的工作原理
• 第三节 染料敏化太阳能电池的研究现状
• 第四节 课题的提出和主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 两亲性D-π-A型有机染料在染料敏化太阳能电池中的应用
• 第一节 引言
• 第二节 实验部分
• 第三节 结果与讨论
• 第四节 小结
• 参考文献
• 第三章 多芳胺类D-π-A型有机染料在染料敏化太阳能电池中的应用
• 第一节 引言
• 第二节 实验部分
• 第三节 结果与讨论
• 第四节 小结
• 参考文献
• 第四章 两亲性D-π-A型有机染料的聚集体对金属离子的识别
• 第一节 引言
• 第二节 实验部分
• 第三节 结果与讨论
• 第四节 小结
• 参考文献
• 博士期间发表及待发表的论文
• 致谢