基于噻吩并吡咯二酮桥链的硫脲三苯胺类染料的合成及性能研究

发布时间：2020-11-11 16:34

　　 为了缓解日益严重的能源危机,开发利用新能源成为主要趋势。而太阳能由于清洁无污染、可持续发展,深受研究者的青睐。在太阳能光电转化领域,染料敏化太阳能电池(DSSCs)由于成本低廉、制备工艺简单和环境污染小,具有非常大的应用潜力。而染料敏化剂作为核心组件,担负着吸收太阳光和注入电子的重要作用,直接影响DSSCs的光电转化效率。本课题组前期开发了硫脲三苯胺类有机染料,具有较强的供电子能力,获得了较宽的光谱吸收范围。本论文对硫脲三苯胺染料桥链部分进行结构修饰,引入噻吩并吡咯二酮(TPD)作为辅助受体,构建D-A-π-A型染料,并且以TPD为核心单元,引入双锚基,设计双受体染料,测试光物理、电化学性质以及DFT计算分子结构,主要研究内容如下:1.以TPD为原料,通过NBS溴代、Suzuki偶联、Vislmier-Haack甲酰化、Heck偶联和Knoevenagel缩合等经典反应,分别合成了 3个具有硫脲三苯胺供体的D-A-π-A的光敏染料和2个具有两个锚基的双受体染料。并通过核磁、红外、质谱对目标化合物及中间体进行结构表征。2.对染料分子进行了光物理性能测试,考察了 TPD吸电子基团对光谱吸收、摩尔消光系数的影响。UV-Vis光谱表明,相比AZ6,ST系列染料由于具有较好的平面性,紫外最大吸收红移,光谱吸收范围明显拓宽。其中,ST3延长了共轭桥链的长度,红移程度最大,最大吸收波长为472nm。此外,具有两个锚基的双受体染料相比单受体染料,光谱吸收范围明显拓宽且摩尔消光系数显著增大。3.电化学循环伏安测试表明,ST系列染料和双受体染料的HOMO/LUMO能级均能满足DSSCs器件的能级需求。阻抗性能测试发现,ST系列染料存在明显的电子复合,缩短了电子寿命。4.通过密度泛函理论计算,得到了染料分子的最优构型以及HOMO/LUMO轨道电子云分布情况。辅助受体TPD的引入,增加了分子的平面性,降低了能级间的带隙,有利于染料分子的激发和电子传输。双受体染料的HOMO轨道电子云在TPD上分布较少,表明其供电子能力不足。5.光伏性能测试表明,ST系列染料的IPCE和PCE均低于参比染料AZ6,主要是由于ST染料π-π堆积或团聚作用,导致电子复合严重。ST2中呋喃桥链具有一定的扭转角,部分抑制了染料聚集,获得了最高的PCE(η=3.23%),添加8 mM CDCA共吸附时,染料ST2的光电转化效率达到3.93%。双受体染料的光电转化效率较低,主要是因为TPD基团作为供体给电子能力较差。
【学位单位】：陕西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ613
【部分图文】：

１染料敏化太阳能电池构造及原理??在ＤＳＳＣｓ光伏器件中，主要由光阳极、染料敏化剂、电解液和对电极四个部??分组成［２３］，如图１－１所示。其中，光阳极主要通过在ＦＴ０导电玻璃上沉积一定厚??度的介孔氧化物（如Ｔｉ０２）得到，用于转移电子。电解液主要是含有氧化还原电??对的有机溶剂（如ｒ／ｉ３＿电解液），用于还原染料分子及电解液自身的再生。对电??极是通过在ＦＴ０导电玻璃上沉积一层催化剂（如铂）得到，用于催化氧化还原电??对的再生过程和从外电路收集电子［２４］。在ＤＳＳＣｓ中，染料敏化剂起着至关重要的??作用，一方面用于吸收光子并将电子注入Ｔｉ０２，?一方面从氧化还原电对获得电子??２??

１．２．２技术参数??染料敏化太阳能电池性能评价主要通过单色光转化效率（ＩＰＣＥ）和光电转化??效率（ＰＣＥ）两个指标进行衡量［２８别。ＤＳＳＣｓ的Ｊ－Ｖ曲线如图１－２所示，它能直??接反应出光伏性能，其中，横坐标截距为开路电压（ＶＱＣ），纵坐标截距为短路电??流密度（Ｊｓ。）的数值，而曲线拐点处所对应的横纵坐标分别为实际电压（Ｖｍｐ）和??实际电流密度（Ｊｍｐ），两者的乘积即为实际最大输出功率（ＰＯＴｔ）?［３Ｇ］。??个??Ａｃ?ｌ．ｕ．“?：１１?????ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｇｅ?Ｖ??图１－２染料敏化太阳能电池的Ｊ－Ｖ曲线??Ｆｉｇｕｒｅ?１－２?Ｃｕｒｒｅｎｔ?ｄｅｎｓｉｔｙ－ｖｏｌｔａｇｅ?ｃｕｒｖ

Ｆｉｇｕｒｅ?１－８?Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ?ｏｆ?ＩＱｌ，?ＩＱ２，?ＴＱ１，?ＴＱ２，?ＩＱ４?ａｎｄ?ＩＱ５??Ｇａｏ［Ｍ等人将苯并噻二唑和两种改性的吡啶并吡嗪吸电子基团引入染料分子，??合成三种结构新颖的Ｄ－Ａ－ｊｔ－Ａ型光敏染料Ｂ－８７、Ｑ－８５和Ｑ－９３，如图１－９所示。??染料Ｑ－８５与Ｂ－８７的最大吸收波长基本一致，而Ｑ－９３相比两者红移３０ｎｍ，但摩??尔消光系数却明显降低，其能级间的带隙值也有所减小。染料Ｂ－８７和Ｑ－８５的光??电转化效率分别为１０．２％和１０％，而Ｑ－９３的效率为８．１７％，这主要是摩尔消光系??数较低引起的。??，、—?Ａｃｃｅｐｔｏｒ??．４?ｆ?、．．．＼?Ａｎｃｈｏｒ??Ｄｏｎｏｒ?．一?ｎ－ｂｒｉｄｇｅ??ＱＱ?？??＾?ｈｆｉ?ｎ＂?ｉ??Ｎ……?Ｎ—＂??Ｂ－８７?Ｑ－８５?Ｑ－９３??图１－９染料Ｂ－８７、Ｑ－８５和Ｑ－９３的结构式??Ｆｉｇｕｒｅ?１－９?Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ?ｏｆ?Ｂ－８７，?Ｑ－８５?ａｎｄ?Ｑ－９３??Ｈｕａ［９４］等人以吡咯并吡咯二酮（ＤＰＰ）为辅助受体，设计合成了两个Ｄ－Ａ－ｔｉ－??Ａ型光敏染料ＤＰＰ－１和ＤＰＰ－２，如图１－１０所示。两个染料仅有微小的差别，但光??谱吸收范围却相差很大
【参考文献】

相关期刊论文 前1条

1 韩芳;;我国可再生能源发展现状和前景展望[J];可再生能源;2010年04期

本文编号：2879448