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多三苯胺卟啉敏化剂的合成及其太阳能电池研究

作　者: 刘博
导　师: 解永树
学　校: 华东理工大学
专　业: 精细合成化学与分子工程
关键词: 卟啉染料敏化能级调控太阳能电池
分类号: TM914.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

太阳能是一种清洁高效、储量丰富的能源,利用太阳能的一条重要途径是把光能转化为电能。染料敏化纳米晶太阳能电池作为太阳能电池家族的新成员具有光电转化效率高、成本低、制作工艺简单等许多优点,其核心部分是敏化剂,它的重要作用是捕获光能,而卟啉作为自然界光合作用中心的重要组分,在光能捕获和能量转化方面有着特殊的优势。本论文设计、合成了一系列以三苯胺和三甲氧基苯等作为供电子基团,以对乙炔基苯甲酸为电子受体的D(n)-p-A结构卟啉类敏化染料,通过核磁共振氢谱、质谱和红外等手段进行了结构表征。运用紫外、荧光和循环伏安等方法研究了这一类染料的光学和电学性质,并通过结合密度泛函理论计算考察了它们的轨道能级分布。结果表明,电子给体的改变对HOMO和LUMO轨道能级有显著影响,但是HOMO-LUMO能级差则没有明显变化。在AM1.5的模拟太阳光的照射下,这些染料的光电转化效率在2.70%～5.45%之间。其中,分子内含有一个三甲氧基苯和两个三苯胺基团的染料M3T2P具有最高的转化效率。众所周知,电子向TiO2导带的注入以及电子由I3-转移到氧化态染料而使染料再生这两个过程对染料敏化太阳能电池的性能有决定性影响。在这一系列卟啉染料中,由于供电子基团数目和强弱的不同引起了染料能级梯度性的变化。M3T2P的HOMO和LUMO能级分布较为合理,同时具有较大的染料再生和电子注入的驱动力,表现出最高的光电转换效率。最后,通过交流阻抗分析发现,染料M3T2P具有最长的电子寿命,这与其具有最高开路电压的测定结果一致。本论文结果表明,可以通过染料结构修饰,改变电子给体的种类和数量,系统调控染料能级,进而实现电池效率的优化和提高。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-9
第一章前言  9-36
  1.1 引言  9-11
  1.2 染料敏化纳米晶太阳能电池(DSSC)的结构及工作原理  11-13
    1.2.1 电池的结构  11
    1.2.2 电池的工作原理  11-13
  1.3 评价DSSC性能的主要指标  13-15
    1.3.1 光电流工作谱(IPCE)  13-14
    1.3.2 Ⅰ-Ⅴ曲线  14-15
  1.4 染料敏化太阳能电池的敏化剂  15-34
    1.4.1 钉配合物  16-18
    1.4.2 有机染料  18-23
    1.4.3 卟啉类配合物  23-34
  1.5 课题的提出  34-36
第二章卟啉染料的合成与表征  36-74
  2.1 引言  36
  2.2 试剂及仪器  36
  2.3 目标化合物及合成路线  36-39
  2.4 化合物的合成与表征  39-69
    2.4.1 非卟啉中间体的合成  39-48
    2.4.2 卟啉的合成  48-69
  2.5 结果与讨论  69-73
    2.5.1 化合物的表征  69-72
    2.5.2 化合物的设计与合成  72-73
  2.6 本章小结  73-74
第三章卟啉染料光电性质研究和讨论  74-90
  3.1 引言  74
  3.2 实验部分  74-76
    3.2.1 试剂及仪器  74-75
    2.3.2 电池的制备  75-76
  3.3 结果和讨论  76-88
    3.3.1 染料光物理性质  76-80
    3.3.2 染料电化学性质  80-82
    3.3.3 关于染料的理论研究  82-84
    3.3.4 敏化染料太阳能电池性能  84-88
  3.4 本章小结  88-90
第四章结论  90-91
参考文献  91-99
附录质谱核磁谱图  99-124
攻读硕士学位期间发表的论文及成果  124-125
致谢  125

多三苯胺卟啉敏化剂的合成及其太阳能电池研究

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