三苯胺基染料設(shè)計合成與光電應(yīng)用的基礎(chǔ)研究.pdf

1、隨著人類社會的不斷進(jìn)步,對能源的需要也與日俱增,隨之產(chǎn)生的環(huán)境污染問題也越來越嚴(yán)重,因此開發(fā)和利用可再生清潔能源已成為人類可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。太陽能是可再生能源中最重要的基本能源,如何高效利用太陽能也是人類一直思索的問題,其中將太陽光轉(zhuǎn)換為電能是人類利用太陽能的主要途徑之一。染料敏化太陽能電池(DSCs)作為新型的光電轉(zhuǎn)換器件,具有成本低、理論轉(zhuǎn)換效率高、制備工藝簡單等優(yōu)點,越來越受到人們的關(guān)注。而其中的關(guān)鍵組成部分染料敏化劑一直是DSC

2、s領(lǐng)域的研究和開發(fā)熱點。 目前所報道的染料中,性能最好的是含貴金屬的釕基敏化劑,但是存在成本高、資源有限等缺點。相比之下,不含貴金屬的純有機染料敏化劑具有結(jié)構(gòu)多、易于設(shè)計等優(yōu)點,有可能替代貴金屬釕基染料敏化劑,因此設(shè)計合成效率高、性能穩(wěn)定的純有機類染料敏化劑是最近幾年研究的熱點?；诖?本論文的研究方向是設(shè)計和合成性能優(yōu)良的低成本純有機染料敏化劑。文中選用三苯胺為基本骨架,通過簡單的有機反應(yīng)步驟,設(shè)計合成了三苯胺類有機敏化劑,系

3、統(tǒng)研究了這類染料的光學(xué)、電化學(xué)性質(zhì)以及它們在DSCs中應(yīng)用。主要開展了如下幾方面研究工作： 1、以三苯胺(TPA)作為基本骨架,設(shè)計合成了六種具有D-π-A(electron donor-π conjugation-electron acceptot)分子結(jié)構(gòu)的三苯胺基染料,并對這些化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征。 2、研究了三苯胺基染料在溶液中以及在TiO2膜電極上的光學(xué)性質(zhì),并分析了結(jié)構(gòu)對染料光學(xué)性質(zhì)的影響；結(jié)果表明所合成的三苯

4、胺基染料都具有較高的摩爾消光系數(shù),吸附了染料的TiO2膜電極均具有較好的光捕獲能力,預(yù)示著其可能具有光電轉(zhuǎn)換性能。 3、使用密度泛函(DFT)計算對染料的能級分布和染料分子前線軌道布居進(jìn)行了分析,并對染料溶液紫外-可見光譜中的最大吸收峰進(jìn)行了歸屬；結(jié)果表明染料對光良好的響應(yīng)是由于受光激發(fā)后,染料內(nèi)部發(fā)生了分子內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移。 4、研究了染料在溶液中的電化學(xué)性質(zhì),得到了它們的氧化電位,并分析了結(jié)構(gòu)對染料電化學(xué)性質(zhì)的影響；結(jié)果

5、表明,所設(shè)計合成染料的基態(tài)氧化電位和激發(fā)態(tài)氧化電位完全滿足染料敏化電池中電子轉(zhuǎn)移的要求。 5、通過入射單色光光電轉(zhuǎn)換效率(IPCE)以及電流-電壓曲線(I-V 曲線)的測試,系統(tǒng)表征了三苯胺基染料敏化的DSCs的光電轉(zhuǎn)換性能,并研究了結(jié)構(gòu)對染料光電敏化性能的影響；結(jié)果證明,所合成的染料均具有光電敏化的特性,其中的TPAR11具有最高的短路電流密度,達(dá)到13.5 mA·cm-2,染料TC12所敏化的電池具有最高的轉(zhuǎn)換效率,達(dá)到5.