新型染料分子的設(shè)計(jì)及其在p-型染料敏化太陽能電池和檢測(cè)中的應(yīng)用.pdf

1、自從1991年O’Regan B.和Gr?tzel M.在染料敏化太陽能電池(DSSCs)方面取得重大突破以來，DSSCs以其相對(duì)低的成本和較高的光電轉(zhuǎn)換效率等優(yōu)勢(shì)成為了太陽能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。DSSCs包括光陽極被敏化的n-型染料敏化太陽能電池(n-DSSCs)和光陰極被敏化的p-型染料敏化太陽能電池(p-DSSCs)。目前研究得最多的主要是n-DSSCs，p-DSSCs的研究則相對(duì)較少。p-DSSCs可與 n-DSSCs串聯(lián)起來形成

2、pn-疊層染料敏化太陽能電池(pn-DSSCs)，通過這種疊層電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以拓寬染料敏化太陽能電池的光譜利用范圍，有望突破現(xiàn)有染料敏化太陽能電池的效率瓶頸，而 pn-DSSCs未來性能的提升主要依賴于 p-DSSCs的效率提高以與n-DSSCs相匹配，因此，研究p-DSSCs具有十分重要的意義。染料敏化劑在染料敏化太陽能電池中起到捕獲太陽光子的重要作用，通過合理設(shè)計(jì)染料分子，有助于提高電荷分離效率、減少電荷復(fù)合和提高光捕獲效率等。本論

3、文中我們?cè)O(shè)計(jì)合成了一系列新型的染料分子，研究了它們的光物理性質(zhì)和電化學(xué)性質(zhì)，并測(cè)試了 p-DSSCs器件的光伏性能；同時(shí)考慮到染料分子的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移作用和二氰基乙烯基團(tuán)的特點(diǎn)，巧妙的將 p-型染料分子應(yīng)用于對(duì)氰根離子的檢測(cè)。主要的內(nèi)容和結(jié)果如下：
　　1、設(shè)計(jì)并合成了四個(gè)基于三苯胺-二氰基乙烯基(T3、T4)和三苯胺-硫代巴比妥酸(T3H、T4H)的推拉型染料分子，并系統(tǒng)地研究了共軛橋單元個(gè)數(shù)和不同拉電子基團(tuán)對(duì)它們的光物理性質(zhì)和

4、光伏性能的影響。研究結(jié)果表明：增加給體三苯胺與錨基羧基之間的寡聚噻吩單元的個(gè)數(shù)可以提高染料分子的光捕獲能力；此外，引入1,3-二乙基-2-硫代巴比妥酸作為受體單元能增強(qiáng)染料分子的吸收強(qiáng)度并且能拓寬染料分子的吸收光譜至近紅外區(qū)域，從而使電池的光電轉(zhuǎn)換效率得到了提高。在模擬太陽光照射下(AM1.5 G,100 mW/cm2)，基于這四個(gè)染料制備的染料敏化光伏器件的效率分別為0.180％(T3)、0.207%(T4)、0.226%(T3H)、

5、0.317%(T4H)。其中，T4H的光電轉(zhuǎn)換效率最高，短路電流達(dá)到了6.735 mA/cm2，與目前報(bào)道的p-DSSCs的最高短路電流7.57 mA/cm2相接近。
　　2、在前面工作的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并合成了兩個(gè)基于三苯胺-二氰基乙烯基的推拉型染料分子T5和T6，分別以五個(gè)噻吩和六個(gè)噻吩作為共軛橋，進(jìn)一步增長(zhǎng)給體單元和作為半導(dǎo)體的氧化鎳(NiO)之間的距離。研究了寡聚噻吩長(zhǎng)度對(duì)它們的光物理性質(zhì)和光伏性能的影響，并與前面工作中合成的

6、T3、T4作比較。結(jié)果表明：四個(gè)染料分子的能量轉(zhuǎn)換效率大小關(guān)系為：0.184%(T3)<0.208%(T4)>0.186%(T5)>0.178%(T6)，可以看出在給受體單元一致的情況下，共軛橋長(zhǎng)度為四個(gè)噻吩單元的T4的光電轉(zhuǎn)換效率是最高的，而進(jìn)一步增加共軛橋長(zhǎng)度會(huì)使效率減小。導(dǎo)致這一結(jié)果的原因可能是噻吩單元的增加可以有效的阻止染料與半導(dǎo)體(NiO)表面的電荷復(fù)合，但同時(shí)也會(huì)減小寡聚噻吩共軛橋的電導(dǎo)，這不利于空穴從染料分子注入NiO的價(jià)

7、帶。因此，在這一類染料分子中，選擇一個(gè)最合適的共軛橋長(zhǎng)度對(duì)于平衡電荷復(fù)合與電荷遷移效率是很有必要的。
　　3、P1是p-DSSCs中的第一個(gè)基于三苯胺的推拉型染料分子，其經(jīng)典的D-π-A構(gòu)型使分子的熒光發(fā)射位于近紅外區(qū)(NIR)。考慮到羧基連接在給電子單元三苯胺上，而羧基又具有吸電子效應(yīng)，因此我們從P1的結(jié)構(gòu)出發(fā)，合成了不帶羧基的P2作為氰根離子的探針分子。P2中的受體部分為二氰基乙烯基，氰根離子可通過親核加成與之反應(yīng)，原來的受體

8、結(jié)構(gòu)被破壞并影響整個(gè)分子的共軛，從而影響到分子的光譜性質(zhì)，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)氰根離子的響應(yīng)識(shí)別。利用紫外，熒光，核磁氫譜、碳譜滴定和理論計(jì)算等研究了近紅外分子探針P2的傳感性質(zhì)。研究結(jié)果表明：P2對(duì)氰根離子同時(shí)具有熒光淬滅響應(yīng)和比色響應(yīng)，檢測(cè)限為0.46 nM。因此，結(jié)果表明探針分子P2對(duì)氰根離子具有很高的靈敏性和選擇性。
　　4、根據(jù)染料敏化太陽能電池中器件制備的方式，我們?cè)囍鴮⑷玖戏肿覲1吸附在NiO或TiO2薄膜上制成單分子層探針檢