噻吩類(lèi)全有機(jī)染料的合成及其在染料敏化太陽(yáng)電池中的應(yīng)用.pdf

1、染料敏化太陽(yáng)電池作為目前唯一高效的仿植物光合作用的太陽(yáng)電池，對(duì)解決人類(lèi)可再生清潔能源問(wèn)題具有重要意義，受到科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。光敏劑材料在染料敏化太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換中起著至關(guān)重要的作用，其中具有高吸收系數(shù)的有機(jī)染料分子與一些非碘基單電子轉(zhuǎn)移的氧化還原電對(duì)的聯(lián)合使用為染料敏化太陽(yáng)電池效率的提高提供了新的機(jī)會(huì)。因此，對(duì)全有機(jī)光敏劑結(jié)構(gòu)-活性的全面理解將有助于未來(lái)高效器件的發(fā)展。本論文開(kāi)展了以下的研究工作：
　　 以π共軛單元中

2、分別包含噻吩、3，4-乙烯基二氧噻吩和二己基取代的二噻吩并環(huán)戊二烯的染料分子C213、C230和C218為基礎(chǔ)，通過(guò)在三苯胺電子給體與π共軛單元之間引入一個(gè)雙鍵，合成了三個(gè)新的染料分子C236、C237和C238，目的在于研究引入的雙鍵對(duì)太陽(yáng)電池光伏行為的影響。通過(guò)光物理和電學(xué)表征，考察了染料依賴(lài)的二氧化鈦/染料/電解質(zhì)界面的多通道電子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)過(guò)程。研究表明，雙鍵的引入使染料的最大吸收峰位發(fā)生紅移，但同時(shí)也降低了電子注入效率。

3、此外，這類(lèi)雙鍵染料分子的器件也表現(xiàn)出較低的開(kāi)路光電壓，電阻抗分析可知這主要是由二氧化鈦導(dǎo)帶邊的下移以及染料/電解質(zhì)界面快速的電子復(fù)合速率造成的。
　　 通過(guò)連續(xù)改變二己基取代的二噻吩并環(huán)戊二烯和兩個(gè)3-己基噻吩共軛單元的連接次序，將二己基取代的二噻吩并環(huán)戊二烯片段從電子受體一側(cè)移向電子給體，合成了三個(gè)具有同分異構(gòu)體結(jié)構(gòu)的有機(jī)D-π-A染料分子C225、C226和C227。熒光動(dòng)力學(xué)測(cè)試可知，與C225和C226器件相比，C227

4、器件的電子注入效率相對(duì)較低，因此導(dǎo)致了低的入射光子對(duì)收集電子的轉(zhuǎn)換效率。瞬態(tài)吸收光譜測(cè)試表明，在C225、C226和C227器件中，氧化態(tài)染料分子與二氧化鈦中電子的復(fù)合速率逐漸減慢，同時(shí)氧化態(tài)染料分子與電解質(zhì)中碘離子的再生反應(yīng)也隨著熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力的減小而降低。
　　 合成了以三聯(lián)噻吩作為π共軛單元的染料分子T3，并以T1和T3兩個(gè)染料分子為研究對(duì)象，通過(guò)電化學(xué)、光物理和量子計(jì)算等手段研究了電解質(zhì)中的氧化還原電對(duì)對(duì)全有機(jī)染料敏化太陽(yáng)

5、電池性能的影響。通過(guò)使用無(wú)腐蝕性碘存在的三(1，10-菲羅啉)合鈷(Ⅱ/Ⅲ)氧化還原電對(duì)，首次發(fā)現(xiàn)有機(jī)染料分子的π共軛延展提高了染料敏化太陽(yáng)電池的光電壓，減緩了其界面電子復(fù)合動(dòng)力學(xué)，這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與傳統(tǒng)碘基電解質(zhì)太陽(yáng)電池觀察到的隨著π延展光電壓降低的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象形成了鮮明的對(duì)比。利用僅吸收可見(jiàn)光的染料結(jié)合鈷基電解質(zhì)的染料敏化太陽(yáng)電池，在AM1.5G模擬太陽(yáng)光條件下的光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)8.0％。
　　 通過(guò)增加染料分子中電子受體的數(shù)目構(gòu)建

6、了分別與C213、C230和C218對(duì)應(yīng)的雙齒類(lèi)染料分子C231、C232和C233。并以C213&C231、C230&C232和C218&C233三對(duì)染料分子為研究對(duì)象，系統(tǒng)研究了有機(jī)染料分子中氰基丙烯酸電子受體數(shù)目的改變對(duì)使用三(1，10-菲羅啉)合鈷(Ⅱ/Ⅲ)氧化還原電對(duì)的介孔二氧化鈦太陽(yáng)電池光電特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)論使用何種π共軛單元，雙齒類(lèi)染料分子與其對(duì)應(yīng)的單齒染料相比，在染色的二氧化鈦薄膜上的吸收系數(shù)都明顯增強(qiáng)。這一發(fā)現(xiàn)