双D-π-A染料分子的设计和合成及其染料敏化太阳能电池研究

【摘要】与传统的硅太阳能电池相比,染料敏化太阳能电池由于具有成本较低和制备工艺简单等优点而受到了广泛关注。在过去的几十年里,关于染料敏化太阳能电池中材料的合成和优化人们做了很多的研究工作。作为染料敏化太阳能电池中的重要组成部分,染料敏化剂主要起捕获光子和传递电子的功能。本文就新型双D-π-A染料的设计和合成展开了研究,其主要研究内容如下：1.首先定量地研究了脱氧胆酸(DCA)及其钠盐(DCNa)作为共吸附剂对TiO2导带边能级和抑制电荷复合的影响。DCA会使TiO2导带边能级正移26mV,可以使电荷复合速率减慢10倍,其相应对开路光电压的贡献为70mV,但DCNa则使导带边能级负移33mV,可以使电荷复合速率减慢3倍,其相应对开路光电压的贡献为37mV。同时考虑导带边能级移动和抑制电荷复合的影响,DCA会使开路光电压增加而DCNa会使开路光电压增加实验测得染料中加入DCA开路光电压增加了41mV,加入DCNa开路光电压增加了65mV,这与定量分析的结果符合的很好；2.设计并合成了以一个噻吩连接双D-π-A支链的有机染料FNE92。与呈棒状的单D-π-A染料FNE91相比,呈交叉形状的双D-π-A染料FNE92有利于降低分子间的作用力和抑制电荷复合。强度调制光电压测试表明,与染料FNE91相比,染料FNE92的电子寿命提高了14倍。光伏性能测试显示染料FNE92提高了开路光电压90mV,提高短路光电流4.85mAcm-2,能量转化效率也相应翻倍增长。这部分工作为设计抑制电荷复合作用的染料提供了新思路；3.我们对连接双D-π-A支链间噻吩的个数进行了优化,并对相应染料进行了合成。研究表明,增多连接双D-π-A支链间噻吩的个数,电子扩散长度也随着增加,相应染料的开路光电压和短路光电流,以及能量转化效率都得到了提高。这部分工作表明太阳能电池的性能可以通过变化连接双D-π-A支链间噻吩的个数来调节；4.设计并合成了以吲哚咔唑为给体的双D-π-A染料FNE95,FNE96和FNE97。与以咔唑为给体的单D-π-A染料FNE98相比,双D-π-A染料FNE95敏化的太阳能电池有较宽的IPCE谱线,预示着其必有较大的短路光电流,但是由于FNE95敏化的太阳能电池TiO2表面的质子较多导致导带边能级下移,双D-π-A染料FNE95的开路光电压较低。当己氧基由吲哚咔唑的对位转移到邻位时,短路光电流有所下降,开路光电压有所增加。这部分工作说明,将共轭平面的吲哚咔唑作为给体,可以提高染料敏化太阳能电池的短路光电流。5.设计并合成了基于蒽醌的双D—A染料FNE99和FNE100。这类染料只在短波区有较强的紫外吸收,并且只有很低劣的光伏性能。密度泛函理论计算表明,蒽醌的强吸电子能力抑制了电子由染料有效地注入到TiO2导带中去。这部分工作强调了在设计双D-A-π-A染料时选择合适吸电子基团的重要性。
【作者】任晓明；
【导师】王忠胜；
【作者基本信息】复旦大学，无机化学，2012，博士
【关键词】染料敏化太阳能电池；染料敏化剂；D-π-A有机分子；电荷复合；分子工程；

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