融噻吩橋聯(lián)敏化染料的合成及其光伏性能研究.pdf

1、能源危機(jī)已成為當(dāng)今社會面臨的一個重大問題,近三百年來,工業(yè)革命導(dǎo)致的機(jī)械化大生產(chǎn)使得我們對能源的需求與日俱增,于是不可再生的化石燃料就扮演了重要的角色,在20世紀(jì)70年代石油危機(jī)爆發(fā)之后,能源需求量也就越來越大。太陽能是一種可再生能源,有著其它能源所不可比擬的優(yōu)點(diǎn):1)與化石燃料相比,太陽能是人類取之不盡,用之不竭的可再生能源；2)相比核能,太陽能能源安全,無污染；3)相比水能,風(fēng)能,太陽能容易利用,沒有的地理?xiàng)l件限制,成本。在1954

2、年實(shí)用化的硅太陽能電池問世,但是這類電池的制作成本高昂,制備工藝復(fù)雜,直到1991年,瑞士科學(xué)家Gr(a)itzel研究組開發(fā)出光電轉(zhuǎn)換效率為7％染料敏化太陽能電池(Dye-Sensitized NanocrystallinePhotovoltaic Solar Cells,DSSC),其制作工藝簡單,成本比較低廉,使用壽命較長。此類電池的核心部分是光敏染料,它的性能直接決定著染料敏化太陽能電池的使用壽命和光電轉(zhuǎn)化效率。
　　

3、本文設(shè)計合成了六種新型有機(jī)敏化染料,前五種都是以單的己氧基三苯胺為供電基團(tuán),第六種以雙己氧基三苯胺為供電基團(tuán),以三種不同的融噻吩與環(huán)氧噻吩連接作為共軛橋,氰基乙酸為電子受體,形成D-x-x-A型的有機(jī)敏化染料。以對碘苯酚、噻吩、n-C6H12Br、3-溴噻吩和n-CaH7Br等為起始原料,經(jīng)過NBS或Br2溴化,Suzuki偶聯(lián)反應(yīng),Stille偶聯(lián)反應(yīng),Vilsmeier-Haack反應(yīng)以及Knoevenagel縮合反應(yīng)等最后得到目標(biāo)

4、化合物,并對合成過程中的未見報道的29種中間體和最終的目標(biāo)產(chǎn)物進(jìn)行了紅外、熔點(diǎn)、碳譜、氫譜、質(zhì)譜等結(jié)構(gòu)表征。然后我們對這些染料進(jìn)行了光電性質(zhì),分子理論計算和制備成敏化太陽能電池的光伏性能的研究,總結(jié)出了這些染料的結(jié)構(gòu)和電池光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系,為今后設(shè)計出高效有機(jī)敏化染料奠定了基礎(chǔ)。
　　 其中染料XS35～38是以四種推拉電子融噻吩和環(huán)氧噻吩聯(lián)接來作為共軛橋,四種染料在500 nm處都有一個強(qiáng)烈的可見光吸收帶,最大吸收峰的波長λ

5、max分別位于514,497,492和494 nm,這四種染料的HOMO和LUMO能級與二氧化鈦和電解液能級相匹配,符合作為敏化劑所必要的條件,電化學(xué)阻抗譜研究表明,TiO2/染料/電解液界面之間的RCT大小順序是:XS38>XS35>XS36>XS37；電子壽命大小順序:XS38>XS35>XS36>XS37。最后在AM1.5的標(biāo)準(zhǔn)光照下,通過對基于這六種染料的DSSCs的光伏性能的研究得出:在XS35-XS38中,XS38敏化太陽能

6、電池表現(xiàn)出比XS35-37更好的光伏性能,短路電流密度(JSC)14.47 mAcm-2,開路電壓(Voc)670 mV填充因子(ff)0.63,光電轉(zhuǎn)換效率(η)為6.11％；染料C83和C84分別是單供電基和雙供電基結(jié)構(gòu),本文對這兩種染料進(jìn)行了簡單的測試,結(jié)果為:C83光伏性能優(yōu)于C84,短路電流密度(JSC)9.94 mA cm-2,開路光電壓(VOC)585 mV,填充因子(ff)為0.62,光電轉(zhuǎn)化效率3.62％,相同條件下N