三苯胺基纯有机染料敏化剂的制备及光电性能研究

发布时间：2017-10-06 02:11

  本文关键词：三苯胺基纯有机染料敏化剂的制备及光电性能研究

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【摘要】：随着全球经济的飞速发展,能源紧缺对每一个国家来说都成了亟待解决的问题。传统的化石能源,如石油、煤炭、天然气等日趋减少且不可再生,越来越多的国家开始重视开发和利用新型可再生能源,而太阳能因其清洁环保、取之不尽用之不竭和成本低廉等优点成为重点开发对象,太阳能的开发方式主要有光热转换、光电转换、光化学转换和光生物转换,其中最有效的方式是通过太阳能电池将光能转化为电能。在众多的太阳能电池中,染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized Solar Cell, DSSC)由于高效率、低成本、低污染等特点逐渐受到科学家们广泛关注。1991年,瑞士科学家Gratzel在Nature上发表了以钌配合物为染料敏化剂的DSSC研究,其光电转换效率(Photoelectric Conversion Efficiency, PCE,η)达到7.9%,揭开了DSSC研究的序幕。目前,DSSC的最高效率已经达到13%。DSSC大致包括光阳极、对电极、电解质和染料敏化剂四部分,染料敏化剂主要分为金属配合物染料和纯有机染料两种。其中,纯有机染料大多拥有电子供体-桥键-电子受体(Donor-π-Acceptor, D-π-A)的基本结构。为了进一步改善电池器件的性能,本文从染料敏化剂着手,对DSSC进行了一系列的研究,主要工作内容如下：1.设计制备了基于三苯胺-偶酰的(D)2-D-π-A型染料敏化剂DD3A和DD4A,相对于典型的D-π-A型染料,DD3A和DD4A在电子供体D上引入一对有较强供电子能力的次级电子给体,增强了染料的给电子能力,提高了DSSC器件的开路电压和短路电流,从而验证了该类染料对电池器件的有效性。将其应用于DSSC器件中,最高的转换效率达到3.89%。2.为了提高染料敏化剂的电子传输能力,本文在D-π-A型染料TPA-1的基础上引入了一个次级给电子基团,并引入双电子受体,以增强染料的受电子能力。设计制备出基于三苯胺-偶酰的D-D-π-(A)2型染料敏化剂DD3和DD4,将该类染料敏化剂应用于DSSC器件中。其中,DD4染料的转换效率最高,可达3.33%。3.染料共敏化是提高电池器件光伏效率非常重要的一种途径。本文将染料敏化剂DD4与N719按照不同的摩尔比混合后进行共敏化,当共敏化比例为2：8时,电池器件的光伏效率达到最高的8.69%,比单独的N719效率高出5%,验证了所合成染料的协同敏化作用,原因是共敏化拓宽了敏化剂的吸光范围。4.TTF (Tetrathiafulvalene,四硫富瓦烯)及其衍生物由于具有良好的可逆氧化还原特性和很强的供电子能力,逐渐成为光电材料研究中重要的功能单元。本文向基于三苯胺的D-π-A型染料敏化剂中分别引入了TTF及其衍生物DTF,制备出染料敏化剂DD0和DD1,旨在增强染料分子的电子传输能力和稳定性,提高其摩尔消光系数,最终达到提升DSSC器件光伏效率的目的。将此系列染料敏化剂应用于DSSC器件,其中DD0染料的转换效率可达2.77%。尽管效率改善不是特别明显,但也足以证明DTF和TTF都具有良好的供电子能力,并预示其在光伏领域有着不错的发展前景。5.配制敏化剂所用溶剂的不同对电池器件的效率影响很大,这是由于溶剂的极性会导致紫外吸收光谱的移动。此外,敏化剂在溶剂中的溶解性也对电池性能有显著影响。本文采用乙醇、四氢呋喃和二氯甲烷三种溶剂来配制染料敏化剂,并将其应用于DSSC器件,分别得到2.77%、2.29%和1.31%的光电效率。充分说明对所合成的染料,极性较大的乙醇溶剂可以在一定程度上促进电池器件效率的提升,而二氯甲烷较差的溶解性则会降低电池器件的效率。
【关键词】：染料敏化太阳能电池 有机染料敏化剂 次级电子给体 三苯胺-偶酰 共敏化 四硫富瓦烯 溶剂效应
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O621.1;TM914.4
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-25
• 1.1 能源概述9
• 1.2 太阳能电池9
• 1.3 染料敏化太阳能电池9-11
• 1.4 染料敏化剂11-12
• 1.4.1 染料敏化剂材料的简介11
• 1.4.2 染料敏化剂材料的分类11-12
• 1.5 纯有机染料敏化剂12-23
• 1.5.1 三苯胺类染料敏化剂12-13
• 1.5.2 香豆素类染料敏化剂13
• 1.5.3 吲哚类染料敏化剂13-14
• 1.5.4 花箐及半花菁类染料敏化剂14
• 1.5.5 多烯类染料敏化剂14-15
• 1.5.6 其他染料敏化剂15-16
• 1.5.7 纯有机染料敏化剂的锚定基团16-21
• 1.5.8 染料共敏化21-23
• 1.6 论文选题及研究内容23-25
• 第2章 染料敏化剂的合成与表征及电池器件的组装与测试25-36
• 2.1 染料敏化剂的合成与表征25-32
• 2.1.1 仪器与试剂25
• 2.1.2 染料敏化剂的分子设计25-26
• 2.1.3 染料敏化剂的合成与表征26-32
• 2.2 DSSC器件的组装与测试32-34
• 2.2.1 DSSC器件的组装32-34
• 2.2.2 染料敏化剂的光物理和电化学性能测试34
• 2.2.3 DSSC器件的光电性能测试34
• 2.3 本章小结34-36
• 第3章 偶酰-三苯胺类染料敏化剂的光电性能研究36-51
• 3.1 (D)_2-D-π-A类染料敏化剂的光电性能研究36-42
• 3.1.1 紫外可见吸收光谱分析36-38
• 3.1.2 电化学性质研究38-39
• 3.1.3 光伏特性研究39-42
• 3.2 D-D-π-(A)_2类染料敏化剂的光电性能研究42-48
• 3.2.1 紫外可见吸收光谱分析42-44
• 3.2.2 电化学性质研究44-45
• 3.2.3 光伏特性研究45-48
• 3.3 共敏化对电池器件光电转化效率的影响48-49
• 3.4 本章小结49-51
• 第4章 TTF-三苯胺类染料敏化剂的光电性能研究51-59
• 4.1 紫外可见吸收光谱分析51-53
• 4.2 电化学性质研究53-54
• 4.3 光伏特性研究54-57
• 4.4 溶剂对DSSC光伏性能的影响57-58
• 4.5 本章小结58-59
• 第5章 结论与展望59-61
• 5.1 结论59-60
• 5.2 展望60-61
• 致谢61-62
• 参考文献62-68
• 攻读硕士学位期间发表的论文以及科研成果68

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本文编号：980120