含噻吩類(lèi)共軛橋結(jié)構(gòu)染料分子的設(shè)計(jì)合成及其光伏性能研究.pdf

1、太陽(yáng)能作為一種潔凈、方便的能源越來(lái)越被各國(guó)高度重視，許多國(guó)家紛紛投入巨額資金對(duì)太陽(yáng)能資源進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用。近年來(lái)，染料敏化太陽(yáng)能電池由于其可大面積制備和生產(chǎn)的低成本，以及其分子水平上的可設(shè)計(jì)性而受到全世界研究者的關(guān)注。染料敏化劑作DSSC的核心部分，是其獲得高光電轉(zhuǎn)換效率的重要因素。
　　 本文通過(guò)Vilsmeier-Haack反應(yīng)、溴化等9步反應(yīng)合成了中間體環(huán)戊二噻吩共軛橋，與傳統(tǒng)共軛橋相比，該橋具有剛性環(huán)戊二噻吩結(jié)構(gòu)，從而避免了

2、有機(jī)染料在分子內(nèi)的翻轉(zhuǎn)，防止染料聚集。通過(guò)Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)合成了四個(gè)染料中間體，進(jìn)一步與氰基乙酸反應(yīng)，引入吸電子基團(tuán)，最終設(shè)計(jì)合成了四種D-π-A型結(jié)構(gòu)的非金屬有機(jī)染料敏化劑。這四種染料被分為兩類(lèi)：一類(lèi)是卞氧基與苯胺這樣的小基團(tuán)，作為供電基團(tuán)，它們能夠在二氧化鈦薄膜上規(guī)則排列，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，空間位阻小，這樣的結(jié)構(gòu)有利于提高單位面積的染料吸附數(shù)量，另一類(lèi)是用復(fù)雜芳胺類(lèi)基團(tuán)作為供電基，從而提高給電子能力，提高光電轉(zhuǎn)換效率。此外，利用紅外

3、、質(zhì)譜、核磁對(duì)合成化合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，并對(duì)其電化學(xué)性能、光譜性質(zhì)及組裝成染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)的光電轉(zhuǎn)換性能進(jìn)行了研究。所合成的四種新型染料分子大部分都在可見(jiàn)光區(qū)特別是400-550 nm的范圍內(nèi)具有較強(qiáng)吸收，并且有較高的摩爾消光系數(shù)，表明其具有良好的光捕獲能力。通過(guò)對(duì)染料進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試，得出染料SY-1～4的基態(tài)和激發(fā)態(tài)氧化還原電位同時(shí)符合染料激發(fā)態(tài)電子注入TiO2導(dǎo)帶和染料還原再生的熱力學(xué)要求。當(dāng)染料制備成DSSC并

4、進(jìn)行測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)染料敏化劑的結(jié)構(gòu)變化對(duì)DSSC性能有很大影響。通過(guò)與L1的比較，本文設(shè)計(jì)合成的新型共軛橋結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了優(yōu)秀的性能，L1的短路電流密度(Jsc)為6.18 mAcm-2，開(kāi)路電壓(Voc)為700 mV，填充因子FF為0.73，總的光電轉(zhuǎn)換效率為4.11％，而SY2染料組裝的太陽(yáng)能電池展現(xiàn)出了優(yōu)良的性能，其短路電流密度(Jsc)為11.83 mA cm-2，開(kāi)路電壓(Voc)為666 mV，填充因子FF為0.71，總的光電轉(zhuǎn)換

5、效率為5.64％，SY2的電流密度比L1提升了了3.8％，說(shuō)明本文設(shè)計(jì)合成的環(huán)戊二噻吩環(huán)性能優(yōu)越，其剛性平面避免了有機(jī)染料在分子內(nèi)的翻轉(zhuǎn)，成功的阻止了染料的聚集，這對(duì)今后染料的設(shè)計(jì)與合成提供了新的思路與方向。SY-3、SY-4的光電轉(zhuǎn)換效率較低，分別為2.1％、2.2％，而SY-3具有較差的供電性，但從染料的光譜特性得知，其與SY-4比較具有優(yōu)秀的光捕獲能力，但轉(zhuǎn)化效率卻沒(méi)有明顯的提升，說(shuō)明，盡管其有很好的光捕獲能力，但供電性能不足?？?/p>