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应用于染料敏化太阳能电池芳胺类染料的设计与合成

作　者: 杨翠翠
导　师: 崔京南
学　校: 大连理工大学
专　业: 精细化工
关键词: 染料敏化太阳能电池纯有机光敏染料三苯胺 D-π-A-A结构
分类号: TM914.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

以煤炭、石油、天然气等为主的传统能源即将消耗殆尽,与此同时,由于这些传统能源的大量使用,导致环境污染越来越严重,极端气候频繁发生,因此开发利用新能源迫在眉睫。太阳能因其清洁而又不受地域限制等优点而备受关注。在太阳能利用的众多方式中,染料敏化太阳能电池因其制备工艺简单、制作成本低等优点,引起了科研工作者的广泛兴趣。光敏染料是染料敏化太阳能电池的核心部分,它是影响光电转换效率的决定性因素之一。光敏染料捕获太阳光之后转变为激发态,处于激发态的染料能将电子转移到半导体的导带中,同时激发态染料变为氧化态,能从电解质中迅速得到电子,还原为染料基态,完成循环。纯有机染料因其结构设计灵活,易于制备等优点逐渐成为贵金属光敏染料的替代品,成为近年来的研究热点。本论文共设计合成了8个纯有机光敏染料,利用核磁共振氢谱、质谱对他们进行了结构表征,并测试了染料的光物理、电化学性质,以及染料应用于太阳能电池方面的光电性能。同时,本论文对染料的结构进行了密度泛函的理论计算,从理论上对染料进行了研究。光敏染料的经典设计结构为供电子基团-共轭桥键-吸电子基团,即D-π-A结构。本论文对上述经典结构进行了拓展,设计了一种新的D-π-A-A结构,即在经典结构的基础上又引入了一个吸电基团,希望拓宽染料的吸收光谱范围减少暗电流的生成。论文还设计合成了一类苊并吡嗪类染料,通过他们主要讨论了二苯胺与三苯胺作为供电基团,对两者之间供电能力进行比较。结果表明,在D-π-A-A型染料中,由于新引入的吸电基团与原有的共轭结构存在一定的扭转,共轭平面并没有得到很好的拓展,所以吸收光谱几乎没有拓宽。在这一类染料中,它们的效率都不高,但是随着新引入吸电基团吸电性的增强,染料的分子的光电流有了明显的提高,效率随之增加,这说明D-π-A-A的设计思想是可行的,可以减少暗电流的生成。在苊并吡嗪类染料中,供电基三苯胺相比于二苯胺虽然多一个共轭苯环,拓展了共轭体系,但是它使得分子共轭平面发生了扭转,电子并没有得到很好的传递,供电能力比二苯胺稍弱。通过对染料的结构进行密度泛函理论计算,证明染料分子受到激发后确实能够实现很好的分子内电荷分离。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
引言  9-10
1 文献综述  10-31
  1.1 太阳能电池的介绍  10-12
    1.1.1 太阳能  10
    1.1.2 太阳能电池的发展  10-12
  1.2 染料敏化太阳能电池的结构  12-25
    1.2.1 多孔纳米晶薄膜(光阳极)  12-13
    1.2.2 电解质  13
    1.2.3 光敏染料  13-25
  1.3 染料敏化太阳电池电池的工作原理  25-27
  1.4 染料敏化太阳电池的主要输出参数  27-29
  1.5 染料在TiO_2表面的吸附方式  29
  1.6 选题依据  29-31
2 实验部分  31-42
  2.1 试剂与测试仪器  31
  2.2 化合物Y1的合成与表征  31-32
    2.2.1 化合物1的合成  31
    2.2.2 化合物Y1的合成  31-32
  2.3 化合物Y2的合成与表征  32-34
    2.3.1 化合物2的合成  32-33
    2.3.2 化合物3的合成  33
    2.3.3 化合物4的合成  33
    2.3.4 化合物Y2的合成  33-34
  2.4 化合物Y3的合成与表征  34-36
    2.4.1 化合物5的合成  34
    2.4.2 化合物6的合成  34-35
    2.4.3 化合物7的合成  35-36
    2.4.4 化合物Y3的合成  36
  2.5 化合物Y4的合成与表征  36-37
    2.5.1 化合物8的合成  36-37
    2.4.2 化合物Y4的合成  37
  2.6 化合物Y5的合成与表征  37-38
    2.6.1 化合物9的合成  37-38
    2.6.2 化合物Y5的合成  38
  2.7 化合物Y6的合成与表征  38-40
    2.7.1 化合物10的合成  38
    2.7.2 化合物Y6的合成  38-40
  2.8 化合物Y7的合成与表征  40
    2.8.1 化合物11的合成  40
    2.8.2 化合物Y7的合成  40
  2.9 化合物Y8的合成与表征  40-41
    2.9.1 化合物12的合成  40-41
    2.9.2 化合物Y8的合成  41
  2.10 本章小结  41-42
3 D-π-A-A型染料在DSSC上的应用研究  42-51
  3.1 染料的紫外可见吸收光谱  42-43
    3.1.1 紫外-可见吸收光谱测定方法  42
    3.1.2 染料的紫外-可见吸收光谱  42-43
  3.2 染料的氧化还原电位  43-45
    3.2.1 电化学性能测试  44
    3.2.3 基态和激发态氧化还原电位的计算  44-45
  3.3 光电性能  45-50
    3.3.1 J-V曲线的测定方法  45
    3.3.2 对J-V曲线光电性能的优化  45-47
    3.3.3 染料的J-V曲线  47-48
    3.3.4 光电流工作谱测定  48
    3.3.5 密度泛函理论计算  48-50
  3.4 本章小结  50-51
4 染料Y3的测试  51-54
  4.1 染料Y3在溶液及TiO_2膜上的紫外可见光谱  51
  4.2 染料Y3的电化学测试  51-52
  4.3 染料Y3的密度泛函的理论计算  52-53
  4.4 染料Y3的光电性质的讨论  53
  4.5 本章小结  53-54
5 苊并吡嗪类染料在染料敏化太阳能电池方面的研究  54-59
  5.1 染料Y5与K的紫外可见吸收光谱  54-55
  5.2 染料Y5与K的氧化还原电位  55-56
  5.3 染料Y5与K的光电性能  56-58
    5.3.1 对J-V曲线光电性能的优化  56-57
    5.3.2 染料的J-V曲线  57-58
    5.3.3 染料Y5与K的密度泛函理论计算  58
  5.4 本章小结  58-59
6 以溴为链接基团的染料在染料敏化太阳能电池方面的探讨  59-61
结论  61-62
参考文献  62-67
附录论文中重要化合物的核磁谱图(~1HNMR)  67-75
攻读硕士期间发表学术论文情况  75-76
致谢  76-77

应用于染料敏化太阳能电池芳胺类染料的设计与合成

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