苊并吡嗪類染料用于染料敏化太陽電池的研究.pdf

1、染料敏化太陽能電池由于制備工藝簡單，制作成本低，成為近年來太陽能光電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的研究熱點。在染料敏化太陽能電池體系中，光敏染料起到吸收太陽光并將激發(fā)態(tài)電子轉(zhuǎn)移到納米半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的作用，同時產(chǎn)生的染料氧化態(tài)又能快速的從電解質(zhì)(I3-/I—)中得到電子而被還原再生。目前普遍使用的光敏染料為金屬釕吡啶配合物，但由于引入貴金屬釕，增加了電池的成本，同時也存在著環(huán)境污染的隱患。有機(jī)染料由于具有種類多，便于進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，易于制備和提純等優(yōu)點，其使用有

2、望代替金屬配合物染料，解決電池高效率、低成本的問題。 基于以上研究背景，本論文采用較大的共軛體系苊環(huán)作為橋基，將吡嗪引入苊環(huán)作為吸電子基團(tuán)，以鄰二羧基或單羧基為吸附基團(tuán)，通過改變供電子基團(tuán)給電子能力和吡嗪與吸附基團(tuán)之間的共軛體系大小，共設(shè)計合成了12個以苊并吡嗪為母體的純有機(jī)光敏染料，通過質(zhì)譜、核磁共振氫譜進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，并對其光物理、電化學(xué)性進(jìn)行研究，及應(yīng)用于染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換性能進(jìn)行了研究。 首先研究了以甲氧

3、基為供電子基團(tuán)的3個苊并吡嗪類染料，證實了該類染料在光物理、電化學(xué)方面符合光敏染料的要求，由于染料在可見光區(qū)的吸收范圍較窄，其敏化的電池光電轉(zhuǎn)化效率最高只有0.43％，但這些已足以說明引入苊并吡嗪作為一種新型的有機(jī)光敏染料母體這一設(shè)計思想是可行的。為了進(jìn)一步提高該類染料敏化的電池的光電性能，通過加強(qiáng)供電子基團(tuán)的給電子能力，以二苯胺、N—丁基苯胺和N—甲基苯胺為供電子基團(tuán)，又合成了9個苊并吡嗪類染料。給電子能力增強(qiáng)后的苊并吡嗪類光敏染料，

4、吸收范圍擴(kuò)寬，在400～550nm范圍內(nèi)有強(qiáng)吸收，而且吸附到TiO2膜上的吸收范圍基本沒有發(fā)生變化，而且也滿足電化學(xué)方面的能級匹配要求。更重要的是在光電性能方面，該類染料敏化的太陽能電池效率都明顯提高。其中以二苯胺為供電子、吸附基團(tuán)為鄰二羧基直接連接在苊并吡嗪環(huán)上的染料9b光電轉(zhuǎn)化效率最高，效率達(dá)到4.04％，相同測試條件下，經(jīng)典染料N719的效率達(dá)到7.05％。同時，我們還通過紅外光譜證實了苊并吡嗪類染料是以雙齒橋聯(lián)的形式與TiO2結(jié)