新型平面化吲哚啉染料的设计、合成与性能研究

发布时间：2020-08-21 18:28

【摘要】：由于纯有机敏化剂具有高摩尔消光系数、低成本、易降解、低毒性以及结构性能易于调控等优点,因此受到研究人员的广泛关注。在有机敏化剂中,能级是影响染料光伏性能的重要因素之一。目前针对能级的优化研究仍然有一定的局限性:传统上改变官能团或者分子共轭结构的手段调控HOMO能级使其上升的同时,也会使LUMO能级上升。因此,为了进一步挖掘有机染料的性能潜力,亟待开发一种具有优良选择性的能级调控手段。本文通过合成具有较好平面性的吲哚啉给体,进而设计并合成了四个D-A-π-A型有机染料CS-31-CS-34,并对其光化学、电化学以及光伏性能进行了详细研究。第一章综述了染料敏化剂的分类和特点,介绍了近十几年来通过多类型给体和改变链长来调节染料敏化太阳能电池性能的有机敏化剂的研究进展。第二章以吲哚啉基团为给体,苯并噻二唑为辅助受体,苯环为π桥,羧基为受体,合成了具有不同平面性的两个D-A-π-A型有机染料。通过格氏反应、取代反应等改变了吲哚啉给体中苯环与母体的二面角,进而调整了给体的平面性。通过~1H NMR和~(13)C NMR表征了染料CS-31和CS-32的结构,并对其进行了光物理、电化学、以及光伏性能的研究。第三章在CS-32的基础上引入长碳链,合成了染料CS-33和CS-34,以调整染料在TiO_2电极上的聚集状态。通过~1H NMR和~(13)C NMR表征了染料敏化剂CS-33和CS-34的结构,并对其进行了光物理、电化学、以及初步光伏性能的研究。第四章结论。
【学位授予单位】：河北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM914.4;TQ613
【图文】：

染料敏化剂,吲哚啉,给体,卟啉

图 1.2.1 以吲哚啉为给体单元的部分 DSSCs 染料敏化剂1.2.2 以卟啉为给体单元的 DSSCs 染料敏化剂卟啉分子具有高π共轭体系、特殊的物理化学性质、强烈的光吸收和易修饰性的分结构而被认为是良好给体的选择。与 Ru 配合物相比，简单的四苯基卟啉基染料由于捕光能力不够，对 DSSCs 的功率转换效率较低。吸附在 TiO2上的染料的受体基团和代基的位阻在调节电池效率上也起着重要作用48-51。因此，使卟啉周围附着大量给电基团和各种类型的辅助受体，可以减少染料的聚集，增强捕光能力52-57,49。长的正烷基链包裹在卟啉环周围，也能有效地减少了染料分子的聚集，同时延缓电荷复合的过58。强电子给体附着在卟啉核上，增强了可见光区的捕光能力59。自从开发 D-π-A 结的卟啉染料以来，迄今为止报道了许多具有不同给体基团的 D-A 型卟啉敏化剂60-62。Kamal Prakash63等人研究了四种卟啉染料，染料的功率转换效率很广，顺序为P-Zn-PTZ (5.48%) KP-Zn-PYR (3.38%) KP-Zn-CBZ (2.64%) KP-Zn-BTP (1.71%)。

吸收光谱,染料敏化剂,卟啉,给体

和发射谱带均变宽，红移。卟啉染料与 N 719 染料的共敏化，抑制了染料的聚集，提高了电池的性能。人在染料 XW 11 的基础上引入了烷基链能有效地抑制染料聚6 XW 28 的光电压分别为 700 mV、701 mV 和 711 mV，明而优化后的 XW 26(5.19%)和 XW 27(6.42%)结构出现严重畸之间存在较大的二面角，分别为 57.2°和 44.0°。由于苯并噻/烷氧基链之间的空间位阻作用，使吸收蓝移，降低了光电流 26 具有更多的蓝移吸收光谱，表明烷基/烷氧基链的空间位XW 28 仅含有一条与乙炔基相邻的烷基链，与苯甲酸不存在XW 11 相比，分子畸变不严重，它的吸收光谱和光电流与 XW

染料敏化剂,电子基团,给体

的高能量损失。随着分子的平面化，染料的能级也得到了有效的优化。此外，在老化测试 1000 h 后，PCE仅下降了 3.5%左右，说明引入额外的π桥不会影响染料的光稳定性，CS-2 敏化 DSSCs的 PCE 值为 8.03%，JSC为 16.38 mAcm-2，Voc 为 694 mV，FF 为 0.707。当然以三苯胺为给体的的染料敏化剂具有热稳定性、柔韧性和易于结构调控而被选择68。在标准 AM 1.5 G 太阳光条件下，WD-2 敏化电池的 Jsc=6.4 mAcm 2，Voc=600 mV，FF=0.8，IPCE 为 3.1%。在相同条件下，WD-3 敏化电池的 JSC=4.7 mAcm 2，Voc=570 mV，FF=0.78，IPCE 为 2.1%。数据结果表明，吩噻嗪的引入，使电子给体部分和受体部分在基态下的平面性降低。在三苯胺上增加辅助受体近几年也有相关报道，比如 Chen69课题组以吩噻嗪为供体通过改变辅助受体来调控染料分子的光伏性能,其功率转换效率(PCE)分别为 ZHG5(5.64%)＞ZHG 6(5.32%)＞ZHG 7(2.74%)，通过紫外吸收表明，随着辅助供体空间位阻的减小，摩尔消光系数增加。

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