含有噻吩桥联基元的有机光敏染料的合成及其光伏器件性能研究

发布时间：2019-03-20 16:40

【摘要】：纯有机染料敏化剂一般具有电子给体-共轭桥-电子受体结构。噻吩及其衍生物由于其优越的光电性质被广泛应用于各种光电器件,是光电领域的重要研究对象。在染料敏化太阳能电池(DSSC)领域,噻吩及其衍生物常作为桥联基团被引入电子给体-共轭桥-电子受体结构中。通过对噻吩桥联基元结构的修饰和优化,例如在噻吩环上引入不同种类的烷基,烷基链在噻吩环上不同位置,在噻吩环上稠合上不同共轭结构单元,可以使得染料的可见吸收峰向长波方向移动,有效地利用红光和近红外光；同时也可以对染料的最高占有轨道(HOMO)能级与最低未占轨道(LUMO)能级进行有效的调控,使得染料能级与Ti02导带能级和氧化还原电对的氧化还原电势能够较好地匹配,进而提高电子注入效率、染料再生速率；还能抑制染料聚集和降低电荷复合速率,最终达到不断提高DSSC电池性能的目的。为了考察噻吩桥联基元有机敏化染料的结构-功能关系,我们做了以下相关研究。(1)设计合成了直链己基和支化链2-乙基己基功能化的三联噻吩为π共轭桥的纯有机染料。考察了直链烷基和支链烷基对染料的光物理和电化学性质及其敏化电池器件的光伏性能的影响。通过比较发现,支化链烷基比直链烷基能更好地抑制染料分子间的相互作用以及注入电子与电解质中的电子受体的电荷复合。因而,引入支链烷基能获得更高的开路电压,而直链烷基对应更大的吸附量则能获得更大短路电流。含有直链烷基的染料FNE29敏化的电池器件获得了最大的光电转换效率8.12%。(2)设计并通过一个简单和选择性合成方法合成了两组分别包含二联噻吩(L2和R2)和三联噻吩(L3和R3)的同分异构体染料。它们之间的结构差异在于烷基链在噻吩环上的位置的不同,即是靠近电子给体(L)还是靠近电子受体(R)。我们考察了这些结构的差异对最终染料的各种光电性质的影响。结果显示L系列染料中烷基链靠近电子给体咔唑基团,使得分子的扭曲增大,从而导致染料的吸收带蓝移。R系列染料平面性更好使得吸收带红移,因而R系列染料对应的电池器件的光生电流就更大。另一面,L系列染料更大的扭曲程度使得染料分子间的相互作用变小,染料分子在二氧化钛薄膜上的聚集程度得以降低,使得电池器件内的电荷复合速率更低,因此获得了更高的开路电压。综合这两方面,最终短路电流的增加对电池的光电转换效率起主导作用,使得R3敏化的太阳能电池分别在准态电解质和钴的液态电解质中获得了7.10%和8.41%的能量转换效率。(3)设计合成了一类用于DSSC的萘[2,1-b：3,4-b']二噻吩基纯有机染料。研究了这些染料的各种光电性质。在染料分子中引入不同的共轭基团如供电子基EDOT或吸电子基苯并噻二唑,研究结果表明染料分子中引入苯并噻二唑在拓宽光谱吸收和提高短路电流并最终提高光电转换效率上优于EDOT。染料FNE52敏化的液态和准固态太阳能电池的能量转换效率分别为8.2%和7.1%。准固态电池经过1000 h的稳定性测试后仍保持在起始值的98%,说明这类染料具有良好的长期稳定性。(4)设计合成了两个基于噻吩[3,4-c]吡咯-4,6-二酮(TPD)的纯有机染料,并将其应用于准固态DSSC。为了比较,还合成了两个基于三联噻吩,以三苯胺和久洛尼定分别为电子给体的染料。系统研究比较了这些染料的各种光电性质。发现染料分子中TPD结构单元的引入有利于拓宽染料分子的光谱吸收和抑制分子间的相互作用。因此,界面上的电荷复合得以抑制,强度调制光电压谱的结果证实了这一点。AM 1.5G太阳光照射下,在没有添加共吸附剂时,含有三苯胺电子给体的TPD染料FNE38敏化的准固态电池表现出最好的光电转换效率。(5)设计合成了分别以三苯胺和久洛尼定为电子给体的TPD染料。为了减少染料分子间的相互作用在染料骨架中引入了直链己基和支化链2-乙基己基。考察了这些结构的差异对最终染料的各种光电性质的影响。结果显示同一类电子给体的染料由于其结构的相似具有相似的光物理和电化学性质。但是,它们对应的准固态电池显示出的电池性能参数却有较大差异。使直链己基支化即引入2-乙基己基能使对应准固态电池的开路电压和短路电流得到提高。开路电压的提高来源于电荷复合的抑制,用电荷提取和强度调制光电压图谱的方法对其进行了定量分析,结果与实验值是一致的。使直链己基支化能够使准固态电池的能量转换效率提高约23%。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：复旦大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4

【参考文献】