电子受体及π桥对卟啉类染料敏化剂性能影响的研究

发布时间：2020-05-30 09:54

【摘要】：本论文主要研究卟啉分子结构与光电性能的关系,设计合成了两类卟啉染料敏化剂:基于噻吩π桥和苯并噻二唑上氟原子取代的D-A-π-A结构的TH系列染料和吸电子部分引入氰基的D-π-A结构的LX系列染料,并将所得染料用于染料敏化太阳能电池器件中以研究其光电性能。从吡咯,间苯二酚等较为基础的原料出发,运用Lindsey合成法得到卟啉母核。NBS对卟啉母环单溴化后络合锌离子得5,15-(2,6-二辛氧基)-10-溴锌卟啉11,通过三异丙基硅基乙炔的Sonogashira偶联和水解引入供电子部分得5-溴-10,20-(2,6-二辛氧基)苯基-15-(4-N,N-二辛基胺)苯乙炔基锌卟啉14;重复偶联反应引入三异丙基硅基乙炔,紧接着水解并用偶联引入相应的π桥及锚定基团得5-(4-N,N-二辛基胺)苯乙炔基-10,20-(2,6-二辛氧基)苯基-15-(5-(7-乙炔基-[1,2,5]苯并噻二唑)-噻吩-2-甲酸甲酯)锌卟啉16a,16b,16c;最后通过水解得到目标产物并通过质谱和核磁对产物进行表征,测试其光物理及电化学性能并组装器件研究光伏性能。结果表明在辅助受体苯并噻二唑单元上引入氟原子改善了染料的光捕获能力,延长了电子寿命。最终含有双氟取代苯并噻二唑基团的TH-2F染料性能最佳,光电转换效率(PCE)为6.98%,短路电路(J_(sc))为16.07 mA/cm~2,开路电压(V_(oc))为0.68 V,填充因子(FF)为63%。以二吡咯甲烷、苯甲醛、对乙酰氧基苯甲醛为原料,MacDonald[2+2]法合成了卟啉母环,然后经由溴化、水解、还原、氧化和Knoevenagel等反应历程成功合成了以4-丁氧基苯基为供电基团,分别以丙烯酸、α-氰基丙烯酸、α-氰基戊二烯酸为吸电子基团的LX1、LX2、LX3染料,并通过MALDI-Tof和~1H-NMR对其结构进行了表征,测试光物理及电化学性能并组装电池研究光伏性能。结果表明,LX2和LX3中氰基的引入和π共轭的延长可以有效增强染料的光捕获能力。然而,染料LX2和LX3的J_(sc)骤降,这可能是氰基的引入影响了电子耦合和/或电子注入,因此导致PCE值降低。性能最好的是染料LX2(J_(sc)为11.67 mA/cm~2,V_(oc)为0.73 V,FF为71%,PCE值为6.04%)。
【图文】：

示意图,示意图,染料敏化剂,染料

图 1-1 DSSC 结构与工作原理示意图[4]Fig. 1-1 The structure and schematic diagram of DSSC由以上工作原理可知，染料敏化剂在 DSSC 中发挥着核心作用，一个染料要充当敏化剂需同时满足下列要求[5]：(1) 吸收波长范围广，从而能够尽可能多地吸收光能；(2) 染料可以锚定到二氧化钛表面以实现电子注入，即需要锚定基团；(3) 激发态寿命足够长，以保证有效的电子注入过程；(4) 能级匹配以确保电子注入及染料再生；(5) 电荷传输效率高；(6) 染料化学稳定性好以满足经济性考虑。因此，染料敏化剂的选择对高效率的 DSSC 至关重要。1.1.2 染料敏化剂的简介目前，DSSC 中常用的敏化剂主要有金属配合物染料如联吡啶钌、不含金属有机染料、量子点敏化剂、钙钛矿敏化剂及天然染料等。其中联吡啶钌染料具有多种特点，如其八面体结构允许多种配体在可控范

结构示意图,卟啉,中位,太阳光波

图 1-5 D-A-π-A 结构示意图Fig. 1-5 Sketch of D-A-π-A structure敏化剂在 DSSC 中的研究进展料 DSSC 研究的早期，研究者们已经开始关注卟啉及电子结构易于修饰等优点。但由于其在 500 nm 左吸收较弱，卟啉 DSSC 的效率长期以来一直低于联吡不足，人们引入了推-拉结构并尝试通过延长 π 桥的步匹配太阳光波长的分布。Officer 和 Gr tzel 等[28]于连有低聚烯烃锚定基团的中位四苯基卟啉，其中染料E 值达 5.6 %。2007 年，，他们合成了 Zn-1[29]并实现了此启发，人们在上个世纪设计合成了诸多在中位具卟啉。尤其是一系列以二芳胺为电子供体，羧基苯[30, 31]
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ610.1;TM914.4

【相似文献】