中位供电基团对卟啉类染料敏化剂光伏性能影响的研究

发布时间：2019-07-17 18:09

【摘要】：本论文主要研究不同供电基团对染料光电性能的影响，设计了基于咔唑基团氮原子上引入不同正丁基、正己基和正癸基的CZ系列染料和基于不同刚性二芳胺基团的卟啉染料，并应用到染料敏化太阳能电池中，测试其光伏性能。 以咔唑为原料，将咔唑氮原子分别连结不同正构烷烃，再通过Vilsmeier试剂将咔唑的一个苯环对位进行甲酰化得到9H-咔唑-3-甲醛。通过MacDonald [2+2]法合成卟啉自由碱、再经灌金属反应、水解反应，得到三个CZ卟啉染料。目标产物和中间产物均经过质谱、1H-NMR表征，并对目标染料分子的光学性能、电化学性能以及光电转换性能进行了研究测试。由于三个CZ染料分子结构非常类似，仅取代烷基链长度有所差别，其紫外-可见吸收光谱和稳态荧光光谱也比较相似。CZ-10由于其烷基链最长，能够有效抑制电子向电解质回传，降低电子复合速率，防止暗电流产生，其电子寿命最长且开路电压VOC最大。但由于其空间位阻过大导致染料吸附量太低，染料捕获的光能量最少，产生的光生电子最少，其短路电流JSC最低。实验结果表明用于防聚集的正己基链由于长度合适，比正丁基能更好地防止电子回传，比空间位阻更大的正癸基在TiO2表面的染料吸附量大，因此CZ-6染料的光电转换效率最高（2.13%）。 以苯基二吡咯烷、原甲酸三甲酯和对氰基苯甲醛为原料，通过MacDonald[2+2]法合成卟啉自由碱，再经NBS溴化和灌金属反应、Buchwald-Hartwig碳氮偶联反应、还原反应以及Knoevenagel缩合反应，得到三个卟啉染料。目标产物和中间产物均经过质谱、1H-NMR表征，并对目标染料分子的光学性能、电化学性能以及光电转换性能进行了研究测试。DPA-CN-COOH、IDB-CN-COOH和ISB-CN-COOH紫外-可见吸收峰形类似。通过DFT计算，三个染料上氮原子的福井函数分别为0.8267，0.8955和-0.6684，，染料ISB-CN-COOH的福井函数值与其他染料相反，说明其供电基团上的氮原子没有表现出亲核性，光电转换效率最差（2.62%）。由于福井函数值最大，染料IDB-CN-COOH亲核性和供电子能力最强，从而有利于电子传输进程和电荷分离态的稳定性。染料IDB-CN-COOH的光电转换效率达到了N719染料光电转换效率(η=6.02%)的87%，表明IDB-CN-COOH作为染料敏化剂具有很好的应用前景。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4

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本文编号：2515569