咪唑基染料敏化剂的合成及其光电性能

发布时间：2018-01-10 09:29

本文关键词：咪唑基染料敏化剂的合成及其光电性能　出处：《西南石油大学》2014年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：太阳能电池是一种以光电转换方式利用太阳能的器件。第三代太阳能电池(染料敏化太阳能电池,Dye Sensitized Solar Cells,DSSC)因成本低廉、无污染、光电转换效率高等优点而受到广泛的研究。染料敏化剂是DSSC中的光响应单元,起着捕获太阳能,产生光电子的作用。非金属有机染料因其分子可设计、结构可调整、原料多样化、光吸收能力强、光生电子寿命长的特点而受到广泛研究。非金属有机染料敏化剂分子具有D-π-A(Donor-π-Acceptor,电子给体-π共轭桥-电子受体)推拉电子结构,在此基础上又发展出了D-D-π-A、D-π-π-A等多重结构分子。目前,非金属染料敏化剂普遍具有可见光吸收范围窄,氧化还原稳定性差、热稳定性差以及长期稳定工作能力不足的缺点。本实验设计以苯并咪唑、三苯基咪唑为电子给体单元,合成了文献中未有报道的以咪唑基为电子给体的非金属有机染料敏化剂。咪唑基电子给体为芳香富电子共轭结构,在扩大光生电子密度的同时又保持了染料分子的稳定性。实验合成了苯并咪唑基电子给体染料敏化剂：对-(2-苯并咪唑基)-苯甲酸(PBIF)、对-(2-苯并咪唑基)-苯丙烯酸(PBIA)、对-(2-苯并咪唑基)-α-氰基苯丙烯酸酸(PBIC).对-(2-(1-对-羧基苯甲基苯并咪唑基)-苯甲酸(TB-IF)、对-(2-(1-对-丙烯酸苯甲基苯并咪唑)-苯丙烯酸(TB-IA)、对-(2-(1-对-(α-氰基丙烯酸)苯甲基苯并咪唑)-α-氰基苯丙烯酸(TB-IC)和三苯基咪唑基电子给体染料敏化剂：1-H-3-(4-(4,5-二苯基-咪唑基)-苯甲酸(TPIF)、1-H-3-(4-(4,5-二苯基-咪唑基)-苯基丙烯酸(TPIA)、1-H-3-(4-(4,5-二苯基-咪唑基)-苯基-2-氰基丙烯酸(TPIC)。并通过红外、核磁、质谱分析表征了产物分子结构。以合成产物为染料敏化剂制备出DSSC并检测其电池性能,结果表明合成的苯并咪唑基电子给体染料敏化剂和三苯基咪唑基电子给体染料敏化剂均具有光敏性能。以TPIF、TPIA、TPIC为敏化剂的太阳能电池光电转换性能分别为：1.47%、1.85%、1.98%。与非金属有机染料敏化剂的特点相似,以合成产物为敏化剂的太阳能电池普遍具有较高的填充因子,最高的达到76%,较高的填充因子说明染料光生电子寿命较长、光电子注入效率较高。紫外可见分析光谱表征了9种产物的可见光响应能力,结果表明PBIF、 PBIA、PBIC的特征吸收波长在405nm左右,TB-IF、TB-IA、TB-IC的特征吸收波长在390nm左右,TPIF、TPIA、TPIC的特征吸收波长在410nm左右,9种产物均具有尖锐的特征吸收峰,表明其在特征吸光波长范围内优异的光响应能力。分析认为以合成产物为敏化剂的DSSC效率较低,主要是特征吸光波长不在太阳光分布最广的波长范围内和光响应范围和染料吸光范围较窄的原因。实验表征了TPIA、TPIC在敏化Ti02半导体薄膜后的紫外可见吸收光谱,表明合成产物对Ti02半导体薄膜具有很好的敏化能力,扩大了光阳极在350-430nm范围内的吸收能力,敏化后的Ti02半导体薄膜可见吸收峰红移,吸收范围拓宽。实验研究了TPIA浓度和敏化时间对太阳能电池性能的影响,结果表明较高浓度的染料溶液对电池性能的提升有帮助,但其不成线性增长关系；过长的敏化时间可以提高染料的短路电流密度,但不利于提高电池的填充因子；分析认为高浓度的染料溶液和较长的敏化时间可以提高染料在Ti02半导体薄膜上的吸附量,提升光吸收能力,因而提高短路电流密度和光电转换效率,但长时间敏化会造成染料无序堆积,未直接吸附在Ti02半导体薄膜上的染料分子产生的光电子并不能传输到Ti02半导体薄膜中,反而会增加光电子复合的概率,因此填充因子降低。由于染料具有较强的特征波长的光吸收能力,因而对特征光区的光电转换效率比较高,在此波长范围的光一定的条件下,提升染料吸附量并不能线性的增加光电转换效率。合成的咪唑染料敏化剂具有比三苯胺类染料敏化剂更窄的禁带宽度和更好的共轭结构,更有助于光生电子的激发和电荷的分离。因此关于咪唑系染料敏化剂的研究具有进一步的研究价值。
[Abstract]:A non - metallic organic dye sensitizer is a kind of non - metallic organic dye sensitizer with D - 蟺 - A ( 蟺 - 蟺 - Acceptor , electron donor - 蟺 conjugated bridge - electron acceptor ) . The photo - conversion properties of 2 - ( 1 - p - carboxylbenzyl benzimidazole ) - benzoic acid ( TPIF ) , 1 - H - 3 - ( 4 - ( 4,5 - diphenyl - imidazol - yl ) - phenyl acrylic acid ( TPIF ) , 1 - H - 3 - ( 4 - ( 4,5 - diphenyl - imidazol - yl ) - phenyl acrylic acid ( TPIF ) , 1 - H - 3 - ( 4 - ( 4,5 - diphenyl - imidazol - yl ) - phenyl acrylic acid ( TPIA ) , 1 - H - 3 - ( 4 - ( 4,5 - diphenyl - imidazol - yl ) - phenyl acrylic acid ( TPIA ) , 1 - H - 3 - ( 4 - ( 4,5 - diphenyl - imidazole ) - phenyl - 2 - cyano - acrylic acid ( TPIC ) were characterized . The effects of TPIA and TPIC on the performance of TiO _ 2 semiconductor thin films have been investigated . The results show that the photoelectrons generated by dye molecules in Ti02 semiconductor thin films can not be transferred to Ti02 semiconductor thin films .

【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O621.3;TM914.4

【参考文献】