共轭桥电子和空间效应对光敏染料性能的影响研究

发布时间：2020-01-29 12:36

【摘要】：染料敏化太阳能电池(DSSCs)具有成本低廉、制作工艺简单等优点,已成为当前太阳能光电转换领域的研究热点。用于捕获太阳光子的光敏染料是DSSCs最核心的组成部分,其光物理、电化学性质直接影响着太阳能电池器件的性能。本论文设计合成了三个系列新型的D-n-A型有机光敏染料,通过核磁共振和质谱等手段对其结构进行了表征,并通过紫外可见吸收光谱、荧光光谱、循环伏安法研究了它们的光物理和电化学性质,最后,应用这些染料制作了染料敏化太阳能电池,并测试了器件的光电性能。主要的研究内容如下： (1)设计合成了以苯并噻唑为共轭π桥、三苯胺为电子给体和氰基丙烯酸为电子受体的D-π-A型有机光敏染料,并将其应用于染料敏化太阳能电池。通过使用苯并噻唑代替传统π桥中的苯基,提高了染料分子的摩尔消光系数,并使染料分子的吸收光谱发生轻微红移,所制作的电池短路电流密度得到提高,从而得到了较高的光电转换效率。其中,使用染料DBT1和DBT2制作的电池光电转换效率分别为5.85%和5.43%,均高于以苯基为共轭π桥的染料DPB的光电转换效率(4.24%)。相同条件下,使用参比染料N719制作的电池光电转换效率为7.16%。 (2)设计合成了三个以芴衍生物为共轭π桥、二苯胺为电子给体和氰基乙酸为电子受体的D-n-A型有机光敏染料,并将其应用于染料敏化太阳能电池。其中,染料F1吸附在Ti02表面容易发生π-π堆积而导致较低的短路电流密度；以苯基取代芴π桥的染料F2发生π-π堆积现象明显,其DSSCs的短路电流密度最小；以正己基取代芴π桥的染料F3可以有效防止π-π堆积,显著提高DSSCs的短路电流。在没有共吸附剂的DSSCs中,F3染料敏化的太阳能电池的光电性能明显优于F1和F2,光电转换效率最高,达到5.15%。 (3)设计合成了三个以菲并噻二唑为共轭π桥、二苯胺为电子给体和氰基乙酸为电子受体的D-π-A型有机光敏染料,并将其应用于染料敏化太阳能电池。在AM1.5G,100mW·cm-2光照条件下,PTZ3染料敏化的太阳能电池光电转换效率最高,为4.13%(短路电流为9.06mA·cm-2,开路电压为0.71V,填充因子为0.64)。
【图文】：

示意图,染料敏化,太阳能电池,原理

主要是由光阳极、电解质和对电极三部分组成。染料敏化太阳能电池的具体构造和原理示意图如图1.1所示[18]。光阳极主要是通过在惨杂氟的氧化锡（FTO)透明导电玻璃上烧结一层纳米多孔二氧化钛（Ti02)薄膜，并在Ti02上吸附光敏染料制备而成的。对电极一般是由负载有催化性能物质（如拍、石墨等）的导电玻璃组成。电解质中通常含有氧化还原电对，存在于光阳极和对电极中间，使氧化态染料还原再生，自身可以从对电极得到电子再生。根据电解质的形态，，可以分为液态电解质、准固态电解质和固态电解质。2

谱图,太阳光,能量分布,谱图

电池的短路电流密度主要由电池对太阳光光谱的响应范围和转换效率决定。从太阳光能量分布谱图（图1.4)可以看出，要想获得较高的短路电流密度，就需要电池对太阳光在紫外、可见光和近红外有较宽的响应。③填充因子如公式（2.12)所示，填充因子（ff)即为内接矩形对应的面积（实际产生的最大输出功率）与外接矩形的面积（理论的最大输出功率）之比。P J xVff 二 -~！=55_ = __。墜 (2.12)J.C Jsc ^V^c④总的光电转换效率〔rP太阳能电池总的光电转换效率可以用下式表示：—scXFocX肌 (2.13)由公式（2.13)可以看出，太阳能电池总的光电转换效率影响因素有：短路电流密度、开路电压、入射光强度以及填充因子。1.2.4光敏染料光敏染料是DSSCs的核心组成部分，吸附在Ti02表面，起到捕获太阳光将光子转化为电子并将电子注入到纳米TiCh导带的作用，是实现光电转换的关键。近二十年来，经过广大科研工作者的共同努力，目前已有上百种光敏染料应用于DSSCs并获得较好的光电转换效率。光
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4

【参考文献】