染料敏化太陽能電池光電轉(zhuǎn)換材料研究.pdf

1、染料敏化太陽能電池（dye-sensitized solar cells, DSSCs）以其工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉以及環(huán)境友好等眾多優(yōu)點(diǎn)引起了科研工作者的廣泛關(guān)注，是太陽能電池領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。作為捕獲太陽光子的光敏染料則是DSSCs最核心的組成部分，其光物理、電化學(xué)性質(zhì)對(duì)于電池器件的性能有極大影響。本論文基于研究分子結(jié)構(gòu)對(duì)于光敏染料的光物理、電化學(xué)性質(zhì)以及相應(yīng)器件性能的影響為目標(biāo)，從簡(jiǎn)單棒狀D-π-A型光敏染料出發(fā)，在其電子給體外圍引入新的

2、次級(jí)電子給體設(shè)計(jì)、制備了一系列星射狀2D-D-π-A型光敏染料，并且最終實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換效率的大幅提高。利用質(zhì)譜、核磁共振等對(duì)光敏染料結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。在結(jié)構(gòu)表征的基礎(chǔ)上進(jìn)一步測(cè)試了光敏染料的光物理、電化學(xué)性質(zhì)，并將其應(yīng)用于 DSSCs，初步探討了光敏染料結(jié)構(gòu)與電池性能之間的構(gòu)效關(guān)系。
　　對(duì)于不同電子給體（咔唑、吩噻嗪以及二苯胺）的棒狀 D-π-A型光敏染料而言，由于二苯胺的給電子能力較強(qiáng)，所以二苯胺為電子給體的光敏染料L0比以咔唑

3、為電子給體的TC301以及吩噻嗪為電子給體的WD1具有更好的光吸收性能。三者之中， L0具有更正的基態(tài)氧化還原電位，最容易從電解質(zhì)中得到電子而還原再生。光伏性能測(cè)試表明，相比TC301與WD1，L0的光伏性能最好，這是由于L0中二苯胺較強(qiáng)的給電子能力造成的。三個(gè)電池光伏性能的差異通過測(cè)試電化學(xué)阻抗得到了合理的解釋。L0敏化的電池獲得了最好的光伏性能，光電轉(zhuǎn)換效率為2.03％（Jsc=4.78 mA cm-2，Voc=608 mV，ff=

4、0.70）。
　　通過在光敏染料L0中分別引入1個(gè)和2個(gè)富硫單元DTF作為次級(jí)電子給體制備得到了D-D-π-A型光敏染料WD2和星射狀2D-D-π-A型WD3。由于給電子單元DTF的引入，一方面改善了染料的光吸收性能；另一方面則在一定程度上抑制了染料的聚集。兩個(gè)光敏染料的HOMO、LUMO能級(jí)均滿足DSSCs染料的要求。光伏性能測(cè)試表明，DTF單元的引入能夠提高染料的光伏性能，且隨著DTF單元數(shù)量的增加，相應(yīng)光敏染料的光電轉(zhuǎn)換效率

5、也隨之增加。通過電池的電化學(xué)阻抗闡明了上述光敏染料展現(xiàn)不同光伏性能的原因。含有2個(gè)DTF單元的星射狀光敏染料WD3獲得了最好的光伏性能，光電轉(zhuǎn)換效率為4.41%（Jsc=9.58 mA cm-2， Voc=648 mV，ff=0.71）。
　　在光敏染料 L0的結(jié)構(gòu)中分別引入富電子單元吩噻嗪和咔唑作為次級(jí)電子給體，以氰基乙酸和羅丹寧-3-乙酸為電子受體制備了星射狀2D-D-π-A型光敏染料WD4-7。相比于氰基乙酸為電子受體的光敏

6、染料 WD4、WD6而言，羅丹寧-3-乙酸為電子受體的染料 WD5、WD7的吸收發(fā)生了明顯的紅移，這歸因于羅丹寧-3-乙酸較強(qiáng)的吸電子能力。此外，吩噻嗪以及咔唑的引入構(gòu)成了非共面性更好的星射狀結(jié)構(gòu)，能夠有效抑制光敏染料在TiO2表面的聚集。光伏性能測(cè)試表明，羅丹寧-3-乙酸作為電子受體的光敏染料 WD5、WD7的光伏性能較氰基乙酸作為電子受體的光敏染料 WD4、WD6的性能要差，這是由于羅丹寧-3-乙酸上亞甲基的存在，使得光敏染料LUM

7、O能級(jí)上電子云主要集中在羅丹寧主體上而不是羧酸基上，電子云和TiO2的3d軌道重疊不完全而導(dǎo)致較低的電子注入效率造成的。以吩噻嗪為次級(jí)電子給體、氰基乙酸為電子受體的光敏染料WD4獲得了最好的光伏性能，光電轉(zhuǎn)換效率為4.54%（Jsc=8.7 mA cm-2，Voc=660 mV，ff=0.79）。
　　在光伏性能相對(duì)較好的光敏染料WD4中分別引入了苯、噻吩以及呋喃單元作為共軛橋鏈制備了星射狀2D-D-π-A型光敏染料WD8-10，

8、研究了不同共軛橋鏈對(duì)于光敏染料性能的影響。由于噻吩和呋喃的給電子能力比苯環(huán)強(qiáng)，導(dǎo)致光敏染料（1）HOMO與LUMO能級(jí)差減小，吸收向長(zhǎng)波方向移動(dòng)；（2）基態(tài)氧化還原電位降低。光伏性能測(cè)試表明，在添加CDCA共吸附劑的情況下，三個(gè)光敏染料的光伏性能都下降了，這一結(jié)果說明具有星射狀結(jié)構(gòu)的這些光敏染料在TiO2表面的聚集并不明顯，CDCA的加入反而減少了光敏染料的吸附量，從而導(dǎo)致了光伏性能的下降。以呋喃為共軛橋鏈的光敏染料 WD10得到了最高