釕配合物敏化劑設(shè)計(jì)合成及其在太陽(yáng)電池中的應(yīng)用.pdf

1、近年來(lái)，全球?qū)η鍧嵖沙掷m(xù)的新型能源需求不斷攀升，具有低價(jià)、高效且有規(guī)模產(chǎn)業(yè)化前景的染料敏化太陽(yáng)電池(DSSC)受到研究人員的廣泛關(guān)注。作為DSSC中最核心的部分，染料敏化劑在寬帶隙半導(dǎo)體材料表面形成單分子層，對(duì)電池的光收集效率，電荷分離效率以及光子-電流轉(zhuǎn)換效率有著決定性的作用。釕配合物染料敏化劑因其吸光范圍寬，能級(jí)位置合適，轉(zhuǎn)換效率高，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)成為了目前使用范圍最廣，產(chǎn)業(yè)化前景最好的敏化劑類(lèi)型。
　　開(kāi)發(fā)具有寬光譜強(qiáng)吸收，

2、能級(jí)位置合適的高效釕配合物染料敏化劑是本論文研究的出發(fā)點(diǎn)。在本文中，我們以在聯(lián)吡啶輔助配體上引入強(qiáng)離域的電子給體天線為主要手段，按照逐步增加共軛程度，延長(zhǎng)共軛長(zhǎng)度為結(jié)構(gòu)梯度，合成出四個(gè)系列，共十二種釕配合物染料敏化劑。系統(tǒng)研究了染料的光物理和電化學(xué)性質(zhì)，并將其用于染料敏化太陽(yáng)電池中，深入考察了電子給體天線結(jié)構(gòu)的引入與電池光電性能之間的關(guān)系。
　　在聯(lián)吡啶輔助配體上分別引入非環(huán)式的電子給體甲氧基苯(methylthio-phenyl

3、)和甲硫基苯(methoxyl-phenyl)以及環(huán)式電子給體亞甲二氧基苯(methylenedioxy-phenyl)得到染料RC-15，RC-16和RC-22。研究結(jié)果表明含有環(huán)式電子給體基團(tuán)的RC-22擁有最大的摩爾消光系數(shù)，吸收光譜紅移程度也最明顯?；赗C-22的電池獲得了最佳的敏化效果，IPCE曲線的最大值超過(guò)了90％。證明了環(huán)式電子給體的引入比非環(huán)式電子給體更有利于染料光收集效率的提高，從而獲得更高的光生電流。
　　

4、芳胺類(lèi)衍生物擁有合適的光電化學(xué)性質(zhì)，在釕染料分子中，芳胺類(lèi)電子給體還可以給極性的釕染料分子和非極性的空穴傳輸物質(zhì)提供極性匹配，從而促進(jìn)界面連接，提高光伏性能。我們通過(guò)在聯(lián)吡啶輔助配體上引入三種不同結(jié)構(gòu)-電化學(xué)性質(zhì)的芳胺類(lèi)電子給體（N，N-二乙基苯胺，久洛尼定和N，N-二芐基苯胺）設(shè)計(jì)合成出三種不同釕配合物染料分子RC-31，RC-32以及RC-36。其中，RC-36敏化的太陽(yáng)電池獲得了最出色的光電轉(zhuǎn)換效率10.23％，基于RC-32的太

5、陽(yáng)電池效率僅為7.43％。表明引入芳胺電子給體結(jié)構(gòu)-電化學(xué)性質(zhì)對(duì)染料分子有著巨大的影響。結(jié)構(gòu)合適的芳胺電子給體需在引入后顯著提高染料分子的光收集能力，另外電子給體的給電子能力還需要相對(duì)適中，不能破壞染料分子在染料敏化太陽(yáng)電池中的能級(jí)平衡，即不能影響激發(fā)態(tài)染料電子注入和基態(tài)染料分子再生過(guò)程的進(jìn)行。
　　為了進(jìn)一步開(kāi)發(fā)高效強(qiáng)離域的電子給體天線結(jié)構(gòu)，探究其結(jié)構(gòu)對(duì)染料性質(zhì)及染料敏化太陽(yáng)電池性能的影響，我們?cè)O(shè)計(jì)合成了三種釕配合物染料分子RC

6、-41，RC-42以及RC-43。在染料RC-41中，我們引入了與三苯胺有相似結(jié)構(gòu)以及相似給電子能力的苯咔唑(PCA)基團(tuán)作為電子給體天線。在染料RC-42中，引入了含有甲氧基的三苯胺(MeO-TPA)基團(tuán)來(lái)進(jìn)一步提高三苯胺的給電子能力。在染料RC-43中，為了進(jìn)一步提高給電子能力，增強(qiáng)染料分子的共軛長(zhǎng)度，我們?cè)诼?lián)吡啶支架和甲氧基三苯胺之間加入了乙烯二氧噻吩(EDOT)基團(tuán)。將這些染料應(yīng)用于染料敏化太陽(yáng)電池中，在光照為AM1.5G(10

7、0 mW cm-2)的情況下，這三種染料敏化的太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率均高于基準(zhǔn)染料Z907。其中RC-43敏化的太陽(yáng)電池獲得了最好的光電性能，效率可以達(dá)到10.78％。
　　為了探索強(qiáng)電子給體對(duì)三聯(lián)吡啶染料性質(zhì)及光電性能的影響，我們將含有強(qiáng)離域電子給體的聯(lián)吡啶輔助配體引入三聯(lián)吡啶釕染料中來(lái)替代其中兩個(gè)異硫氰根配體。希望可以在提高短波長(zhǎng)區(qū)域吸光強(qiáng)度的同時(shí)，增強(qiáng)染料的穩(wěn)定性，提高染料的性能。我們?cè)O(shè)計(jì)合成了三種三聯(lián)吡啶釕配合物染料分子R