功能材料的设计、组装及其光电性质研究

论文摘要

本论文主要包括两部分：固态染料敏化纳米晶太阳能电池和金属离子化学传感器。准固态和固态电解质在染料敏化太阳能电池中的应用染料敏化纳米晶太阳能电池具有制作简单、价格低廉等特点，是当前纳米技术和光电转换材料研究的热点之一。如何进一步提高染料敏化纳米晶太阳电池的稳定性和光电转换效率是该电池实际应用亟待解决的重大课题。本部分通过引入介孔材料和纳米颗粒构建有机／无机杂化电解质，实现电解质的固化。具体研究包括：1．我们利用介孔材料的大孔径所形成的网络结构为电子传输提供通道，并用离子液体代替易挥发的有机溶剂。以介孔SiO2（SBA-15）作为液体电解质的胶凝剂，所形成的准固态凝胶电解质能够较好满足光电转化的要求。其中，液体电解质组成为：x M I2（x=0.3～0.8M）和0.45 M 1-甲基苯并咪唑（NMBI），溶剂为1-甲基-3-丙基咪唑碘盐（MPII）。通过加入不同含量的SBA-15得到凝胶电解质。电化学实验筛选出的最佳凝胶电解质的组成为0.5M I2、0.45 M NMBI，3％wtSBA-15，溶剂为MPII。并将其组装到染料敏化太阳能电池中，得到开路电压为569mV，短路电流为9.1mA·cm-2，填充因子为67％以及4.3％的光电转化效率。SBA-15的引入，提高了电池的稳定性，700小时之后，效率基本保持不变，而液体电解质组装的光电池其光电转化率降低到原来的30％。2．我们利用分子组装的原理，采用了亲水性的含四氟硼酸根的咪唑室温融盐与表面含羟基的二氧化硅能形成F…O-H氢键且咪唑环之间存在π——π堆积作用形成的网络，并通过变温红外光谱证实了氢键的存在。我们利用这类网络固化液态电解质，得到了固态电解质，并且电解质在高温下（＞80℃）还能保持不流动。将此类电解质用作染料敏化太阳能电池的电解质，发现利用具有氢键网络支架材料的电解质不仅没有影响氧化还原电对的传输，能得到相对高的光电转换效率。优化得到的电解质组成：0.18 M I2，1.3 M 1-甲基-3-丁基咪唑碘盐（BMI·I），0.5 M LiI，1 M 4-叔丁基吡啶（TBP），5wt％SiO2，溶剂为BMI·BF4。在常温下，可以得到短路电流为8.0mA cm-2，开路电压为655mV，填充因子为67％，光电转化效率为4.7％的结果。更重要的是，电池在60℃时还保持有5％的光电转化效率。且工作1000小时之后，效率基本保持不变，而液体电解质组装对照的电池仅有最初的30％的效率。基于脲、硫脲为接受器的金属离子化学传感器化学传感器具有体积小、费用低、准确等优点，因此受到人们的青睐。如何有效地检测这些重金属阳离子对于生物化学、环境科学以及医学等都有着重大的意义。本部分主要是引入新的检测会属离子的接受器脲和硫脲结构，并通过荧光、紫外等输出信号来识别金属离子。主要包括：1．通过改变推拉电子基团合成和表征了基于萘脲的5个化合物，通过紫外、荧光光谱研究了其对金属离子的响应。结果表明：当对位连有给电子基团的时候，在溶液中，加入具有氧化性金属离子(如Fe3+，Hg2+，Ag+，Cu2+)，在长波方向会有新的吸收峰，因此可以选择性地识别氧化性金属离子；当对位连有吸电子基团时，对任何金属离子都没有响应；当没有推拉电子基团或2位连有甲氧基时，只对铜离子有选择性识别，荧光发射峰红移。由此可见，取代基的化学结构、位置都对化学传感器有明显地影响。2．通过改变推拉电子基团合成了3个蒽醌脲化合物，研究了这些化合物的光物理性质以及在阳离子存在下的光物理性质。实验结果表明，对位含有硝基的蒽醌脲的化合物对汞离子有选择性识别。加入汞离子后，光谱发生了60nm的红移，可以“肉眼”检测。并且通过对比实验初步探讨产生现象的原因。3．合成了2个蒽醌硫脲化合物，研究了化合物以及在阳离子存在下的光物理性质。实验结果表明，对位含有硝基和不含硝基的蒽醌硫脲化合物的吸收光谱基本相同，对金属离子的检测行为也基本一致。2个蒽醌硫脲化合物均能通过肉眼检测Hg2+和Ag+。加入Hg2+后，发生了58nm的蓝移；有Ag+存在时，458nm的吸收减弱，550nm的吸收增强。并且通过对比实验和1HNMR可知，化合物对Hg2+和Ag+作用的位置并不一样。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 染料敏化纳米晶太阳能电池的历史发展及研究现状
• 1.1 基本概念
• 1.1.1 大气质量数
• 1.1.2 光电转化效率
• 1.1.3 I-V曲线
• 1.2 染料敏化纳米晶太阳能电池的结构及工作原理
• 1.2.1 结构
• 1.2.2 工作原理
• 1.3 二氧化钛纳米晶电极的引入
• 1.4 染料敏化剂的发展
• 1.4.1 键合基团
• 1.4.2.钌配合物敏化剂
• 1.5 氧化还原电解质引入的意义
• 1.6 液体电解质的研究进展
• 1.6.1 有机溶剂
• 1.6.2 抗衡阳离子
• 1.6.3 添加剂
• 1.7 准固态电解质的研究进展
• 1.7.1 准固态电解质研究的目的和意义
• 1.7.2 以小分子凝胶为固化剂的准固态电解质
• 1.7.3 以高分子为固化剂的准固态电解质
• 1.7.4 以其它试剂为凝胶剂的准固态电解质
• 1.8 固态电解质的研究进展
• 1.8.1 p-型无机半导体材料
• 1.8.2 有机空穴传输材料
• 1.8.3 聚合物固态电解质
• 1.8.4 其它类型的固态电解质
• 2纳米晶膜的制备及光电化学测试方法'>第二章 TiO₂纳米晶膜的制备及光电化学测试方法
• 2.1 试剂与材料
• 2胶体的制备'>2.2 TiO₂胶体的制备
• 2纳米晶膜的制备'>2.3 TiO₂纳米晶膜的制备
• 2.3.1 导电玻璃的预处理
• 2纳米晶膜的制备'>2.3.2 TiO₂纳米晶膜的制备
• 2.4 染料敏化剂的吸附
• 2.5 电池的组装
• 2.6 电池的光电化学测量
• 2.6.1 光源
• 2.6.2 光电化学测量
• 2.7 标准器件的测试
• 2.7.1 实验部分
• 2.7.2 结果与讨论
• 第三章 基于介孔材料的准固态电解质的光电化学研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 不同含量的SBA-15对电解质电学性质的影响
• 2对电解质电学性质的影响'>3.3.2 不同含量的I₂对电解质电学性质的影响
• 3.3.3 电池的光电性质的研究
• 3.3.4 基于液体电解质和凝胶电解质的染料敏化太阳能电池稳定性比较
• 3.4 结论
• 第四章 高温固态电解质的光电化学研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.3 结果与讨论
• 4-SiO₂二元体系固化现象的解释'>4.3.1 BMI·BF₄-SiO₂二元体系固化现象的解释
• 4.3.2 电解质组成的优化和界面接触的研究
• 4.3.3 电池的光电性质
• 4.3.4 基于液体电解质和固体电解质的染料敏化太阳能电池稳定性比较
• 4.4 结论
• 2+、Hg²⁺、Ag⁺传感器研究进展'>第五章 Cu²⁺、Hg²⁺、Ag⁺传感器研究进展
• 5.1 概述
• 2+、Hg²⁺、Ag⁺传感器'>5.2 冠醚类Cu²⁺、Hg²⁺、Ag⁺传感器
• 2+、Hg²⁺、Ag⁺传感器'>5.3 多胺类Cu²⁺、Hg²⁺、Ag⁺传感器
• 2+、Hg²⁺、Ag⁺传感器'>5.4 杯芳烃类Cu²⁺、Hg²⁺、Ag⁺传感器
• 2+、Hg²⁺、Ag⁺传感器'>5.5 其它类型的Cu²⁺、Hg²⁺、Ag⁺传感器
• 第六章 基于萘脲的铜离子化学传感器
• 6.1 前言
• 6.2 实验部分
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 各个化合物的吸收光谱和发射光谱的比较
• 6.3.2 各个化合物加入金属离子后的光谱比较
• 6.4 结论
• 第七章 基于蒽醌脲为接受器的金属离子传感器
• 7.1 前言
• 7.2 实验部分
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 蒽醌脲的光物理性质
• 7.3.2 蒽醌脲在金属离子存在下的光物理性质
• 7.3.3 蒽醌脲在氟离子存在下的吸收光谱
• 7.4 结论
• 第八章 基于蒽醌硫脲为接受器的金属离子传感器
• 8.1 前言
• 8.2 实验部分
• 8.3 蒽醌硫脲的光物理性质
• 8.4 蒽醌硫脲在金属离子存在下的光物理性质
• 2+和Ag⁺存在下的光谱变化的作用原理初探'>8.5 蒽醌硫脲对Hg²⁺和Ag⁺存在下的光谱变化的作用原理初探
• 2+和Ag⁺存在下的光谱变化'>8.5.1 对比化合物对Hg²⁺和Ag⁺存在下的光谱变化
• -存在下的光谱变化'>8.5.2 化合物在OH^-存在下的光谱变化
• 1HNMR谱的变化'>8.5.3 化合物在金属离子存在下¹HNMR谱的变化
• 8.6 蒽醌脲在氟离子存在下的吸收光谱
• 8.7 结论
• 第九章 论文主要结论
• I 太阳能电池准固态及固态电解质的研究
• II 阳离子传感器的研究
• 附录 博士期间发表论文列表
• 致谢