高摩尔消光钌染料敏化剂的合成及应用

论文摘要

本论文通过引入噻吩、呋喃、3,4-乙烯二氧噻吩（EDOT）、并二噻吩和并三噻吩基团,延伸天线配体的π系统,合成5种多吡啶金属钌配合物染料,即C系列钌染料。提高了摩尔消光系数,适当增强了染料在介孔二氧化钛膜上的光吸收率,缩短了光吸收长度,提高了电荷收集率,制备了更加高效的染料敏化太阳能电池。利用紫外-可见分光光度法,荧光分析法,ATR-FTIR,循环伏安法,对染料的摩尔消光系数,激发光谱,与TiO2薄膜固定模式,氧化-还原电位等性能进行研究。结果表明,C101,C102,C104染料的摩尔消光系数分别为17.5×103M-1·cm-1,16.8×103M-1·cm-1和20.5×103M-1·cm-1。C系列钌染料基态时的氧化还原电位（vs NHE）分别为0.904 V,0.919 V,0.901 V,0.961 V和0.942 V,均比电解质中I3-/I-电子对的氧化还原电位0.535 V要高,因此为染料再生和净电荷的分离提供了充足的驱动力。另外,从红外光谱图中可以看到染料与TiO2膜的固定模式是染料羧酸基团与表面的钛离子之间通过双齿螯合作用连接固定。染料器件的效率、光电性能及光热稳定性的测试结果表明,以乙腈体系电解质制备的C101染料器件,在长期老化测试中达到了令人瞩目的效率11.0%～11.3%;基于低挥发性的3-甲氧基丙腈电解质和无挥发性的离子液体电解质的器件效率分别高于9.0%和7.4%,经过1000小时全太阳光照射,效率仍能够保持最初的95%,是迄今为止最高效稳定的染料敏化剂,建立了评价染料敏化太阳能电池性能的国际新标准。C104染料在初步的器件测试中,其电池的功率转换效率已经达到10.53%,相信经过进一步的优化会成为更加有前景的染料。此外,通过电阻抗测试,比较C101乙腈做电解质和离子液体做电解质的器件,结果表明电子扩散长度的缩短与电子扩散系数减小和电子寿命缩短有关,这也解释了两个器件光电流的差异。因此,离子液体电解质的器件需要做更多的努力来提高效率,促进实现大规模生产柔性薄膜太阳能电池。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 基本概念
• 1.2.1 大气质量数
• 1.2.2 光电转化效率
• 1.2.3 J-V特性曲线
• 1.3 染料敏化太阳能电池的发展
• 1.4 染料敏化太阳能电池的特点
• 1.5 染料敏化太阳能电池的结构及工作原理
• 1.6 影响染料敏化太阳能电池转换效率的因素
• 1.6.1 二氧化钛纳米晶电极
• 1.6.2 电解质
• 1.6.3 染料敏化剂
• 1.7 本论文的研究目的和研究内容
• 第2章 原料试剂纯化和仪器
• 2.1 原料和试剂
• 2.2 原料的制备及纯化
• 2.2.1 原料的制备
• 2.2.2 溶剂的纯化
• 2.3 主要实验设备仪器
• 2.4 表征技术及原理
• 2.4.1 紫外—可见分光光度计（UV-Vis）
• 2.4.2 激发—发射光谱（荧光光谱）
• 2.4.3 电化学性质
• 2.4.4 衰减全反射傅立叶红外光谱（ATR-FTIR）
• 2.4.5 光电性能测试
• 2.4.6 瞬态吸收光谱及衰减动力学
• 2.4.7 电化学阻抗测量
• 2.4.8 电池的稳定性测试
• 2.5 本章小结
• 第3章 联吡啶配体及多吡啶钌染料的制备
• 3.1 小分子片段的制备
• 3.1.1 2-己基噻吩P1的制备
• 3.1.2 2-己基呋喃P2的制备
• 3.1.3 2-己基-3,4-乙烯二氧噻吩P3的制备
• 3.1.4 2-辛基并二噻吩P4的制备
• 3.1.5 2-辛基并三噻吩P5的制备
• 3.1.6 4,4′-二溴-2,2′-联吡啶的制备
• 3.2 染料配体（L1-L5）的制备
• 3.2.1 配体L1的制备
• 3.2.2 配体L2的制备
• 3.2.3 配体L3的制备
• 3.2.4 配体L4的制备
• 3.2.5 配体L5的制备
• 3.3 钌染料的制备
• 3.3.1 Z907染料的制备
• 3.3.2 C10X染料的制备
• 3.4 本章小结
• 第4章 染料表征与讨论
• 4.1 C101和C102的表征与讨论
• 4.1.1 紫外—可见吸收光谱和荧光光谱
• 4.1.2 电化学伏安特性
• 4.1.3 红外光谱
• 4.2 C103的表征与讨论
• 4.2.1 紫外—可见吸收光谱
• 4.2.2 电化学伏安特性
• 4.3 C104和C105的表征与讨论
• 4.3.1 紫外—可见吸收光谱和荧光光谱
• 4.3.2 电化学伏安特性
• 4.3.3 红外光谱
• 4.4 本章小结
• 第5章 染料器件的表征与讨论
• 5.1 器件制备
• 5.2 C101和C102光电性能及器件稳定性
• 5.3 C103染料光电性能及器件稳定性
• 5.4 C104染料光电性能及器件稳定性
• 5.5 本章小结
• 第6章 染料器件界面电荷转移研究
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 附图