蒽醌及咔唑系列光敏染料在DSSCs中的应用研究

论文摘要

本论文分别合成了蒽醌系列和咔唑系列的化合物作为光敏染料应用于染料敏化纳米晶太阳能电池（DSSCs）中，利用质谱、核磁共振氢谱对这些化合物进行结构表征，并对染料的光物理、电化学性能及其在纳米TiO2电极上的光电转换性能方面进行了测试研究。将蒽醌系列化合物（A1，A2和A3）作为光敏染料应用于DSSCs中，对其光敏化性能进行研究，发现此系列化合物虽然在可见光范围内有很好地吸收（吸收谱带最大可以达到800 nm），但是不能起到很好地光敏化作用。通过瞬态吸收动力学、荧光寿命的测定以及对染料结构的密度泛函理论计算（DFT），证明此系列化合物作为光敏染料效率低的主要原因是染料分子受激发后不能实现很好的分子内电荷分离，蒽醌母体上两个羰基（-C=O）很强的吸电子作用与作为电子注入通道的羧基（-COOH）竞争，阻止了电子通过羧基注入到TiO2的导带中。将咔唑系列化合物作为光敏染料应用于DSSCs中，对其光敏化性能进行研究，发现咔唑上带有叔丁基，桥链上有一个噻酚结构的Cb4是这四个染料中光敏化性能最好的。Cb4敏化电池的单色光光电转化效率（IPCE）在480 nm处达到最大值74％，并且在400～520 nm区域IPCE值超过60％。在AM 1.5(100 mW cm-2)模拟太阳光的照射下，Cb4敏化电池的开路电压(Voc)、短路电流密度(Jsc)、填充因子（ff）、电池总的光电转换效率（η）分别为592 mV、7.76 mA cm-2、0.64、2.96％，达到相同条件下N3敏化电池效率的53％。对吸附有此系列光敏染料的纳米TiO2薄膜电极进行了瞬态吸收的测量，证明了染料向纳米TiO2导带注入电子的过程。对染料结构的密度泛函理论计算（DFT）证明了染料的LUMO电子分布距离吸附基团（-COOH）近，能够实现染料分子的LUMO与TiO2的3d轨道（导带）发生电子云重叠，促进电子的注入。咔唑系列化合物紫外-可见吸收谱带较窄，在350～500 nm范围内，不能充分利用太阳光，这是这四种咔唑染料的光电性能低于N3染料的一个重要原因。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 染料敏化纳米晶太阳能电池
• 1.1.1 电池的结构
• 1.1.2 电池的工作原理
• 1.1.3 评价太阳能电池的指标
• 1.2 光敏染料
• 2表面的相互作用'>1.2.1 光敏染料与纳米TiO₂表面的相互作用
• 1.2.2 光敏染料的种类
• 1.2.3 多种染料的共敏化作用
• 1.3 光诱导电子转移和电荷分离
• 1.3.1 分子轨道与吸收光谱
• 1.3.2 光诱导电荷分离和电子传递
• 1.4 选题背景和依据
• 2 实验部分
• 2.1 试剂与仪器
• 2.1.1 实验药品
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 试剂的处理
• 2.2.1 干燥用分子筛的处理
• 2.2.2 四氢呋喃（THF）的纯化
• 2.2.3 N,N-二甲基甲酰胺（DMF）的纯化
• 2.2.4 溶剂二氯甲烷的纯化
• 2.3 蒽醌系列目标化合物的合成
• 2.3.1 目标化合物的合成路线
• 2.3.2 化合物A1的合成
• 2.3.3 1-氨基-2-氯-4-羟基蒽醌（中间体6）的合成
• 2.3.4 中间体7的合成
• 2.3.5 化合物A2的合成
• 2.3.6 4-氨基三苯胺（中间体12）的合成
• 2.3.7 中间体8的合成
• 2.3.8 中间体10的合成
• 2.3.9 化合物A3的合成
• 2.3.10 化合物A4的合成
• 2.3.11 中间体9的合成
• 2.3.12 化合物A5的合成
• 2.4 咔唑系列目标化合物的合成
• 2.4.1 目标化合物的合成路线
• 2.4.2 中间体13的合成
• 2.4.3 化合物Cb1的合成
• 2.4.4 中间体14的合成
• 2.4.5 中间体15的合成
• 2.4.6 化合物Cb2的合成
• 2.4.7 中间体16的合成
• 2.4.8 中间体17的合成
• 2.4.9 中间体18的合成
• 2.4.10 化合物Cb3的合成
• 2.4.11 中间体19的合成
• 2.4.12 化合物Cb4的合成
• 2.5 目标化合物的光物理、电化学性能测试
• 2.5.1 目标化合物的紫外-可见吸收光谱测试
• 2.5.2 目标化合物的荧光光谱测试
• 2.5.3 电化学性能测试
• 2.5.4 电池光电流工作谱的测定
• 2.5.5 电池J-V曲线的测定
• 2.5.6 化合物7的单晶结构测定
• 2.5.7 激光闪光光解研究
• 2.5.8 太阳能电池的装配
• 3 结果与讨论
• 3.1 染料的合成
• 3.2 蒽醌系列化合物作为太阳能电池光敏染料的研究
• 3.2.1 A1,A2和A3的紫外-可见吸收光谱
• 3.2.2 A1,A2和A3的能级比较
• 3.2.3 A1,A2和A3敏化电池的光电流工作谱
• 3.2.4 A1,A2和A3敏化电池的J-V曲线
• 2表面的吸附方式'>3.2.5 A2在TiO₂表面的吸附方式
• 3.2.6 电荷转移动力学
• 3.2.7 中间体7的晶体结构
• 3.2.8 染料结构的密度泛函理论计算（DFT）
• 3.3 咔唑系列化合物作为太阳能电池光敏染料的研究
• 3.3.1 Cb1,Cb2,Cb3和Cb4的紫外-可见吸收光谱
• 3.3.2 Cb1,Cb2,Cb3和Cb4的能级比较
• 3.3.3 Cb1,Cb2,Cb3和Cb4敏化电池的光电流工作谱
• 3.3.4 Cb1,Cb2,Cb3和Cb4敏化电池的J-V曲线
• 3.3.5 电荷转移动力学
• 3.3.6 染料结构的密度泛函理论计算（DFT）
• 4 结论
• 参考文献
• 附录1 质谱谱图
• 附录2 核磁谱图
• 附录3 电池IPCE测定参比相关数据
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢