三苯胺、氮杂蒽类D-π-A型有机染料的合成与光伏性能

【摘要】本文以开发高效、稳定的染料敏化太阳能电池为目标,选取染料敏化太阳电池中的核心组件–染料为研究对象,开发了几种新型有机D-π-A型小分子与聚合物染料,通过光电物理化学表征技术,分析染料结构与性能的关系和变化规律。研究内容和结论如下：(1)合成了四种基于吩嗯嗪单元(POZ)的有机染料,通过在模板染料POZ-2的7号位引入N-苯基吩噻嗪,N-苯基吩噁嗪和三苯胺三个给电子基团,得到染料分子POZ-3,POZ-4,POZ-5。通过理论计算和电化学分析四个染料分子的结构和能级分布可知,随着三种给电子基团的引入,HOMO能级相应提高。由于POZ-4中分子的特殊结构,POZ-4的激发跃迁为HOMO-1到LUMO的跃迁。基于四个染料分子的DSSC器件测试结果表明,在7号位引入N-苯基吩噻嗪得到的染料分子POZ-3表现出7.8%的光电转换效率(769mV,13.98mAcm-2),通过瞬态光电压和光电流衰减测试分析表明,由于结构不同所致的电池光电压及其相关的半导体导带边的变化对电池性能起着决定性的作用。(2)对比分析两种具有不同共轭方向的POZ基染料分子POZ-1与POZ-2的结构和性能关系。通过理论计算结果表明,当把POZ-1分子的共轭方向从沿“N”原子方向改成沿2号位方向(POZ-2),分子整体性能大大提升,因为,POZ-1中POZ单元与苯环单元之间的二面角接近90°,导致分子内基态到激发态(HOMO-LUMO)的电荷传输禁阻,相反,POZ-2的D单元与π单元之间的二面角仅为16°,具有更好的共轭性和电子离域性。另外POZ-2中的烷基链可以在一定程度上抑制暗电流,进一步导致POZ-1的Voc与jsc明显低于POZ-2,以致POZ-1的光电转换效率(2.4%)远小于POZ-2(6.5%)。(3)将己基噻吩作为给电子修饰体引入三苯胺染料L1中得到染料L101,对比分析其光电物理化学性能。结果表明,L101染料的溶解性和光捕获能力较L1强,以至其具有更高的Jsc。另外,引入己基噻吩之后,基于L101器件的光阳极导带边略高,使其具有较高的开路电压Voc,且其整体光电转换效率为5.1%,较染料L1的4.7%略有提升。这种微弱的提升表明,在三苯胺类有机小分子染料中引入己基噻吩可提升染料的整体性能,但是这种改进不如钌染料分子(C101)明显。(4)合成了三种聚合物染料分子：PPTZF,PPTZCZ和PTPACZ,它们的分子量基本在2300-3000(DP-4),通过比较三个染料分子的光物理化学特性,可知,三苯胺作为给电子单元在聚合物染料中表现出较好的性能,对应的聚合物PTPACZ染料电池的光电转换效率为4.4%。是目前为止聚合物染料敏化太阳能电池的最高效率。我们的工作证明小分子有机染料的设计思路也符合聚合物染料分子的设计。
【作者】谭海军；
【导师】潘春跃；
【作者基本信息】中南大学，应用化学，2013，博士
【关键词】染料敏化太阳电池；D-π-A型；有机染料；合成表征；光电性能；

【参考文献】
[1]吕文清.沉默权及其本土化问题探讨[D].中国政法大学,诉讼法学,2004,硕士.
[2]王琦.基于AutoCAD平台的供热管网结构备用研究[D].哈尔滨工业大学,建筑与土木工程,2013,硕士.
[3]道日诺.曲古抑菌素A诱导牛胎儿成纤维细胞凋亡的研究[D].内蒙古大学,动物学,2014,硕士.
[4]胡熙妍.高中信息技术课程单元作业的设计[D].华东师范大学,现代教育技术,2012,硕士.
[5]潘斗兴.单层黑磷弯曲变形的各向异性及其失稳现象[J].科学通报,2015,08:764-770.
[6]王小龙.奶牛乳腺炎应激条件下乳中脂肪酸变化及其调控[D].扬州大学,畜产品安全生产与加工工程,2014,博士.
[7]赵萍.三角褐指藻富油培养条件的优化及活性物质分析[D].鲁东大学,细胞生物学,2013,硕士.
[8]张新彦.全固态单偏振单模光子晶体光纤结构设计研究[D].苏州大学,光学工程,2013,硕士.
[9]刘晶媛.非英语专业大学生的隐喻能力及其性别差异研究[D].安徽大学,外国语言学及应用语言学,2014,硕士.
[10]姜钟平,黄捷.基于非线性反馈的镇定和输出调节:简要综述[J].自动化学报,2013,09:1389-1401.
[11]何明静.基于MBD的转向架虚拟装拆过程建模及仿真[D].西南交通大学,机械工程,2014,硕士.
[12]张升.MicroRNA甲基化与表达的关联分析及其在结直肠癌中预后判断价值的研究[D].复旦大学,肿瘤学,2012,硕士.
[13]王伟丽.胸外科手术患者医院感染前瞻性目标监测及危险因素分析研究[D].山东大学,护理学（专业学位）,2013,硕士.
[14]郎芊.英语空间介词渐变特征的具身研究[D].延安大学,外国语言学及应用语言学,2014,硕士.
[15]李湘赣.合同解除制度研究[D].苏州大学,法律,2003,硕士.
[16]陈永对.1、重组蓖麻毒素A链蛋白的表达、纯化及生物学活性的测定 2、芋螺毒素M Ⅶ A基因的融合表达及其镇痛活性的测定[D].浙江大学,生物化学与分子生物学,2004,硕士.
[17]郭小菡.口译中的听力之困及应对策略分析[D].吉林大学,翻译（专业学位）,2013,硕士.
[18]赵雪燕.日本对华直接投资问题研究[D].河北大学,世界经济,2003,硕士.
[19]任蕊.新词语后空型词语模研究[D].河北师范大学,语言学及应用语言学,2012,硕士.
[20]刘萌.基于特征的归纳式迁移学习方法研究[D].哈尔滨工程大学,计算机软件与理论,2012,硕士.
[21]廖勇.沈阳城市社区10分钟体育生活圈研究[D].沈阳师范大学,体育人文社会学,2013,硕士.
[22]胡瑞敏,吕海涛,陈军.基于风险熵和Neyman-Pearson准则的安防网络风险评估研究[J].自动化学报,2014,12:2737-2746.
[23]郭洋洋.初级汉语口语课堂教学输入与输出现状分析[D].新疆师范大学,汉语国际教育,2013,硕士.
[24]周昕.河南开封方言语音研究[D].山西师范大学,语言学及应用语言学,2013,硕士.
[25]闫磊.自适应天线旁瓣相消算法及通用软件设计[D].西安电子科技大学,信号与信息处理,2012,硕士.
[26]张倩倩.创新工场的组织与服务研究[D].华中科技大学,行政管理,2013,硕士.
[27]李海涛.切换布尔网络的分析、控制及应用[D].山东大学,控制理论与控制工程,2014,博士.
[28]李勇华,高为炳.实时离散事件系统的动态反馈控制[J].自动化学报,1994,02:209-212.
[29]顿明娇.SIMV+PSV通气模式在ICU全麻术后患者的临床应用研究[D].山东大学,临床医学（专业学位）,2013,硕士.
[30]綦振法,徐福缘.MIS的发展与企业组织创新[J].华东经济管理,2001,01:29-31.
[31]金月.十堰市职业教育发展中的政府职能研究[D].湖北大学,教育经济与管理,2012,硕士.
[32]富贵.利用大黄油菜人工合成甘蓝型油菜S_0、S_1世代的遗传分析[D].青海大学,作物遗传育种,2013,硕士.
[33]张延霞.桂林旅游高等专科学校对外汉语教学调查研究[D].广西师范大学,汉语国际教育,2014,硕士.
[34]宗韵.明清徽商家庭教育研究[D].安徽师范大学,中国古代史,2004,硕士.
[35]卢纯福,吴燕,吴剑锋.现代家居衣柜的体验性设计方法[J].轻工机械,2013,04:111-114.
[36]赵懋.基于动态管理理念高校多校区学生管理工作研究[D].西南交通大学,MPA（专业学位）,2012,硕士.
[37]刘素梅.中国家族企业可持续发展研究[D].西安建筑科技大学,科学技术哲学,2004,硕士.
[38]徐贞敦.基于智能手机的汉语教育应用软件设计[D].东北师范大学,汉语国际教育,2012,硕士.
[39]曾晓东.电子游戏的美学思考[D].湖南师范大学,文艺学,2004,硕士.
[40]张明波.东非高原沼泽区路基处理技术研究[D].长安大学,地质工程（专业学位）,2014,硕士.
[41]高闻.盐酸莱克多巴胺、盐酸克伦特罗电化学传感器的研制与应用[D].辽宁医学院,2013.
[42]解群.我国葡萄酒市场分析及B公司营销策略研究[D].天津大学,工商管理,2013,硕士.
[43]周宁,刘玮,严亚兰.虚拟数据库技术的发展和应用[J].情报科学,2002,02:171-174.
[44]刘国莉,叶同,王伟.弹性需求下易变质物品定价、营销与生产计划的联合优化[J].控制与决策,2015,02:361-365.
[45]陈大鹏.中国走和平发展道路的可行性研究[D].浙江大学,国际政治,2014,硕士.
[46]郑军,林钟高,彭琳.法制环境、关系网络与交易成本——来自中国上市公司的经验证据[J].财经研究,2013,06:51-62.
[47]陈松.基于WSN的中小型堤坝安全监控指标及决策融合时机研究[D].华东交通大学,计算机软件与理论,2013,硕士.
[48]朱静.无线数据链信息处理技术研究与实现[D].北方工业大学,电子与通信工程,2014,硕士.
[49]张玲翠.Android移动客户端的定位数据优化方法的研究与实现[D].北京邮电大学,计算机科学与技术,2013,硕士.
[50]赖巧华.广州地区成人慢喉喑患者的情志因素的调查研究[D].广州中医药大学,中医学（专业学位）,2013,硕士.