基于三苯胺衍生物和苯并噻二唑的有机光伏材料的合成及性能研究

发布时间：2017-10-19 15:38

  本文关键词：基于三苯胺衍生物和苯并噻二唑的有机光伏材料的合成及性能研究

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【摘要】：随着传统化石能源如煤、石油等的日益消耗,现已经产生了严重的环境污染和生态破坏,而且该类化石能源不可再生,现在储量日益减少,将来势必难以满足人类对能源的需求。因此,现在积极探索和开发新能源意义重大。其中直接将太阳能转化为电能的有机太阳能电池作为一类成本低、清洁环保的可再生能源利用方式近年来已经成为研究的热点,尤其是其中的染料敏化太阳能电池更是发展迅速。尽管如此,但目前有机太阳能电池面临的最大问题是其光电转换效率还没办法达到产业化的要求。因此,从器件和材料方面提高有机太阳能电池的效率成为目前研究的主要方向。在此背景之下,我们设计合成了一系列基于三芳胺衍生物和苯并噻二唑的染料敏化剂,采用核磁共振、飞行时间质谱等测试方法对所合成的化合物进行了结构表征,并对这些材料的光物理、电化学和光伏性能进行了研究。主要研究内容如下：(1)设计并合成了基于三苯胺的3D结构的三芳胺衍生物(IDTTPA),该结构具有唯一的立体结构和富电子性。我们将该富电子基团应用到染料敏化剂中作电子给体,同时插入苯并噻二唑(BT或DFBT)作额外受体,以苯环为π-桥,羧基为锚定基团(受体)合成了两种D-A-π-A结构的染料敏化剂(CD1和CD2),并将其应用到染料敏化太阳能电池(DSSCs)当中。研究了该三芳胺衍生物作给体对染料性能的影响,同时研究了额外受体上F原子的引入对性能的影响。结果发现,将该衍生物应用到染料敏化太阳能电池中能获得较高的能量转化效率(均超过6.20%)。F原子的引入,使该染料的光伏性能得到了加强。在AM1.5的模拟太阳光照下,基于CD2的电池获得了7.90%的能量转换效率,而基于无氟的CD1的效率只有6.26%,这表明作额外受体DFBT是更好的选择。(2)设计并合成了两个D-A-π-A型的有机染料分子(HD1和HD2),并应用到了染料敏化太阳能电池中。结合CD1我们研究了给体上改变烷基长度及在给体与额外受体之间插入噻吩延长π桥并研究对染料光伏性能的影响,探索其它提高染料效率的方法。通过对有机染料分子的光物理性能、电化学性能和光伏性能进行系统的研究后发现,插入噻吩虽然延长了π桥但同时也增大了给体与π桥的扭转角度,两者共同作用的结果是使染料的吸收光谱有轻微的蓝移,且使染料的摩尔消光系数下降,最终导致染料效率的下降,插入了噻吩的染料HDl的效率仅为4.01%,电流从CD1的12.48 mA cm-2下降到HD1的8.98 mA cm-2,降幅达28%。我们通过对HD2的研究发现,更长的烷氧基造成吸收光谱严重蓝移(70 nm相对CDl),且摩尔吸光系数也较低,结果造成HD2的电流下降了4.88 mA cm-2,降幅达39%,HD2的效率仅为3.83%。
【关键词】：有机太阳能电池 染料敏化太阳能电池 三芳胺衍生物 苯并噻二唑
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O626;TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• abstract5-9
• 第1章 文献综述9-27
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 聚合物太阳能电池的研究进度10-19
• 1.2.1 聚合物太阳能电池的工作原理10-11
• 1.2.2 聚合物太阳能电池的光伏器件11-12
• 1.2.3 有机太阳能电池的几个重要性能参数12-14
• 1.2.4 用于聚合物太阳能电池的光伏材料14-19
• 1.3 染料敏化太阳能电池的发展19-26
• 1.3.1 染料敏化太阳能电池的光伏器件及工作原理19-20
• 1.3.2 影响染料敏化太阳能电池效率的主要因素20-21
• 1.3.3 染料光敏剂的研究进展21-26
• 1.4 本论文的设计思想和主要内容26-27
• 第2章 含三苯胺衍生物和苯并噻二唑的高效敏化剂的研究27-48
• 2.1 引言27-28
• 2.2 实验部分28-40
• 2.2.1 试剂和实验方法28
• 2.2.2 目标染料敏化剂的合成路线28-40
• 2.3 结果与讨论40-47
• 2.3.1 染料敏化剂的合成及表征40-41
• 2.3.2 有机染料的光物理性能41-42
• 2.3.3 有机染料的电化学性能42-43
• 2.3.4 有机染料的光伏性能43-45
• 2.3.5 有机染料的电化学阻抗45-47
• 2.4 本章小结47-48
• 第3章 噻吩基团及烷基对该型染料敏化剂性能的影响48-63
• 3.1 引言48
• 3.2 实验部分48-55
• 3.2.1 试剂和实验方法48-49
• 3.2.2 目标染料敏化剂的合成路线49-55
• 3.3 结果与讨论55-62
• 3.3.1 有机染料的合成及表征55-56
• 3.3.2 有机染料的光物理性能56-57
• 3.3.3 有机染料的电化学性能57-58
• 3.3.4 有机染料的光伏性能58-60
• 3.3.5 有机染料的电化学阻抗60-62
• 3.4 本章小结62-63
• 总结与展望63-64
• 参考文献64-69
• 致谢69-70
• 附录A 药品、试剂及其纯化方法70-72
• 附录B 表征及测试中用到的仪器及方法72-73
• 攻读硕士期间发表论文情况73

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本文编号：1061914