新型芳胺類光敏染料的理論與實驗研究.pdf

1、隨著煤炭、石油、天然氣等不可再生能源的枯竭,人們開始意識到可再生能源開發(fā)的重要性。在可再生能源中,太陽能以其安全、衛(wèi)生、清潔、資源充足和應(yīng)用廣泛等顯著優(yōu)點逐漸成為人們關(guān)注的熱點。1991年,瑞士聯(lián)邦高工的Gratzel研究小組發(fā)明了一類新型太陽能電池—染料敏化太陽能電池(Dye-Sensitized Solar Cells,DSSCs),該類電池克服了傳統(tǒng)太陽能電池制作工藝復(fù)雜、成本昂貴等缺點,并獲得了高達13％的光電轉(zhuǎn)換效率。在DSS

2、Cs中,光敏染料的光致激發(fā)、電子由染料向二氧化鈦(TiO2)導(dǎo)帶的注入和氧化態(tài)光敏染料的還原等重要過程均發(fā)生在染料/TiO2光陽極界面上,所以研究這一界面對于提高DSSCs光電性能有著重大的意義?；诖?本論文開展了以下兩方面的研究:
　　一、探索高效的新型光敏染料。
　　二、研究溶劑效應(yīng)對于染料/TiO2光陽極界面的影響。
　　1.光敏染料是染料/TiO2光陽極的重要組成部分,起著捕獲光子產(chǎn)生激發(fā)態(tài)電子的重要作用。為

3、了高效、快捷地尋找高性能的光敏染料,采用密度泛函理論計算對所設(shè)計的四硫富瓦烯(TTF)、吩噻嗪、咪唑等三類芳胺光敏染料進行理論篩選。研究結(jié)果表明,TTF可以作為光敏染料的良好電子給體,它的引入能夠極大增加光敏染料的光捕獲能力。通過對吩噻嗪光敏染料共軛橋的修飾,能擴寬此類光敏染料的光吸收范圍從而提高光電轉(zhuǎn)換效率。所設(shè)計的咪唑類分子適合作為光敏染料,并具有結(jié)構(gòu)簡單、易于制備的特點,有益于后續(xù)工作的開展,所以后續(xù)章節(jié)的研究均基于此類光敏染料。

4、
　　2.制備理論篩選的咪唑類目標光敏染料,并將其組裝成DSSCs進行研究。采用理論與實驗結(jié)合的研究方法,探討了四種CD染料的光物理、電化學(xué)性質(zhì)以及相應(yīng)DSSCs的光電性能,并在原子層面上對此類光敏染料的性能差異給予了微觀解釋。基于CD-4、CD-5的電池器件分別獲得了1.89和0.61％的光電轉(zhuǎn)換效率。進一步,在CD-4、CD-5結(jié)構(gòu)中引入三苯胺基團制備的CD-7、CD-8獲得了更為高效的光電性能,電池的光電轉(zhuǎn)換效率分別為4.1

5、1和1.51％。研究表明,染料光電性能的改善是由于三苯胺基團的引入增強了光敏染料的光捕獲能力和空間位阻作用。
　　3.基于制備的咪唑光敏染料CD-6,選取THF、DMF為溶劑,研究了溶劑效應(yīng)對于染料/TiO2光陽極界面以及DSSCs光電性能的影響。以THF、DMF為敏化溶劑制備的電池分別獲得了1.53和0.83％的光電轉(zhuǎn)換效率。實驗結(jié)果表明,在THF中,CD-6敏化TiO2薄膜的吸收范圍更廣且染料分子吸附密度更大,最終獲得了更好的