钌配合物敏化剂设计合成及其在太阳电池中的应用

发布时间：2018-04-09 14:16

本文选题：染料敏化太阳电池　切入点：钌配合物敏化剂　出处：《中国科学技术大学》2017年博士论文

【摘要】：近年来,全球对清洁可持续的新型能源需求不断攀升,具有低价、高效且有规模产业化前景的染料敏化太阳电池(DSSC)受到研究人员的广泛关注。作为DSSC中最核心的部分,染料敏化剂在宽带隙半导体材料表面形成单分子层,对电池的光收集效率,电荷分离效率以及光子-电流转换效率有着决定性的作用。钌配合物染料敏化剂因其吸光范围宽,能级位置合适,转换效率高,稳定性好等优点成为了目前使用范围最广,产业化前景最好的敏化剂类型。开发具有宽光谱强吸收,能级位置合适的高效钌配合物染料敏化剂是本论文研究的出发点。在本文中,我们以在联吡啶辅助配体上引入强离域的电子给体天线为主要手段,按照逐步增加共轭程度,延长共轭长度为结构梯度,合成出四个系列,共十二种钌配合物染料敏化剂。系统研究了染料的光物理和电化学性质,并将其用于染料敏化太阳电池中,深入考察了电子给体天线结构的引入与电池光电性能之间的关系。在联吡啶辅助配体上分别引入非环式的电子给体甲氧基苯(methylthio-phenyl)和甲硫基苯(methoxyl-phenyl)以及环式电子给体亚甲二氧基苯(methylenedioxy-phenyl)得到染料 RC-15,RC-16 和 RC-22。研究结果表明含有环式电子给体基团的RC-22拥有最大的摩尔消光系数,吸收光谱红移程度也最明显。基于RC-22的电池获得了最佳的敏化效果,IPCE曲线的最大值超过了90%。证明了环式电子给体的引入比非环式电子给体更有利于染料光收集效率的提高,从而获得更高的光生电流。芳胺类衍生物拥有合适的光电化学性质,在钌染料分子中,芳胺类电子给体还可以给极性的钌染料分子和非极性的空穴传输物质提供极性匹配,从而促进界面连接,提高光伏性能。我们通过在联吡啶辅助配体上引入三种不同结构-电化学性质的芳胺类电子给体(N,N-二乙基苯胺,久洛尼定和N,N-二苄基苯胺)设计合成出三种不同钌配合物染料分子RC-31,RC-32以及RC-36。其中,RC-36敏化的太阳电池获得了最出色的光电转换效率10.23%,基于RC-32的太阳电池效率仅为7.43%。表明引入芳胺电子给体结构-电化学性质对染料分子有着巨大的影响。结构合适的芳胺电子给体需在引入后显著提高染料分子的光收集能力,另外电子给体的给电子能力还需要相对适中,不能破坏染料分子在染料敏化太阳电池中的能级平衡,即不能影响激发态染料电子注入和基态染料分子再生过程的进行。为了进一步开发高效强离域的电子给体天线结构,探究其结构对染料性质及染料敏化太阳电池性能的影响,我们设计合成了三种钌配合物染料分子RC-41,RC-42以及RC-43。在染料RC-41中,我们引入了与三苯胺有相似结构以及相似给电子能力的苯咔唑(PCA)基团作为电子给体天线。在染料RC-42中,引入了含有甲氧基的三苯胺(MeO-TPA)基团来进一步提高三苯胺的给电子能力。在染料RC-43中,为了进一步提高给电子能力,增强染料分子的共轭长度,我们在联毗啶支架和甲氧基三苯胺之间加入了乙烯二氧噻吩(EDOT)基团。将这些染料应用于染料敏化太阳电池中,在光照为AM1.5G(100mWcm-2)的情况下,这三种染料敏化的太阳电池的光电转换效率均高于基准染料Z907。其中RC-43敏化的太阳电池获得了最好的光电性能,效率可以达到10.78%。为了探索强电子给体对三联吡啶染料性质及光电性能的影响,我们将含有强离域电子给体的联吡啶辅助配体引入三联吡啶钌染料中来替代其中两个异硫氰根配体。希望可以在提高短波长区域吸光强度的同时,增强染料的稳定性,提高染料的性能。我们设计合成了三种三联吡啶钌配合物染料分子RC-T51,RC-T52以及RC-T53。这三种RC染料的分子结构均由4,4',4"-三羧酸-2,2':6',2"-三联吡啶作为锚定基团,含有强离域的电子给体天线的辅助配体,以及一个用来协调染料性质的异硫氰根组成。实验结果表明,RC染料敏化电池的效率均低于基准染料N749。这种现象是由于RC-T染料不合适的HOMO能级分布以及低下的染料再生效率所导致的。
[Abstract]:In recent years , a new type of dye - sensitized solar cell ( DSSC ) , which has been used in dye - sensitized solar cells , has been used in dye - sensitized solar cells . In order to further improve the electron - donating ability and enhance the conjugation length of dye molecules , we added ethylene dioxythiophene ( EDOT ) groups to the dye - sensitized solar cells . The photoconversion efficiency of these three kinds of dye - sensitized solar cells was higher than that of the reference dye Z907 . In order to explore the effect of the strong electron donor on the properties and photoelectric properties of the tripolypyridyl ruthenium dyes , we designed three kinds of tripolypyridyl ruthenium complex dye molecules RC - T51 , RC - T52 and RC - T53 . The experimental results show that the efficiency of the RC - 43 sensitized solar cells is lower than that of the reference dye N749 . This phenomenon is caused by the improper homo - level distribution of the RC - T dye and the low dye regeneration efficiency .

【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O641.4;TM914.4

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