杂合离子液体电解质、硅卟啉及吩噁嗪光敏剂在染料敏化太阳能电池中的应用

摘要

光敏剂在染料敏化太阳能电池中起到吸收光子，并将光子转换成电子的作用，是电池的重要组成部分。发展新的光敏剂对于提高染料敏和太阳能电池的光电转换效率十分有利。早期对光敏剂的研究集中在金属配合物染料上，但是由于这类染料自身存在一些问题，人们逐渐将目光转移到摩尔消光系数较高、合成简单和结构多样的纯有机光敏剂。经过不断地发展，纯有机光敏剂已经取得长足发展。尽管如此，大部分纯有机光敏剂对近红外光区的光响应较弱，因此发展高效的纯有机近红外光敏剂对于进一步推动纯有机光敏剂的应用十分重要。
　　首先，在高效吩噁嗪纯有机光敏剂TH305中引入π-桥基设计合成了3个染料，LJ101、LJ102和LJ103，π-桥基的引入有效地拓宽了光谱吸收。利用质谱、氢谱等手段对分子结构进行鉴定，并对染料的光物理和电化学性质进行了研究。将光敏剂应用于染料敏化太阳能电池，研究染料结构与电池性能之间的构效关系以及电池内部电子传递过程。与TH305相比，延长分子的共轭体系能够使染料分子的光谱吸收发生红移，但是同时降低了染料的LUMO能级，减小了激发态染料将电子注入到TiO2的驱动力，从而影响电池效率。
　　因为卟啉类分子在500-700nm范围内有中等强度的吸收，并且卟啉分子具有可延长的共轭结构，因此受到广泛关注。由此本文设计合成了3种带轴向吸附基团的硅卟啉类光敏剂，LJ201、LJ202和LJ203，并对其结构进行了质谱和氢谱的表征，而后又进行了光物理和电化学性质的研究。通过测试不同CDCA浓度下，染料吸附在TiO2表面后的紫外可见吸收光谱发现，由于LJ201、LJ202和LJ203是通过轴向吸附方式吸附在TiO2上，避免了染料在膜上的聚集，因此在后续的电池测试中，没有使用CDCA做共吸附剂。将这3个染料用于染料敏化太阳能电池后，研究电池的光伏性能。由于三苯胺独特的螺旋桨结构可以抑制电子复合，LJ203获得了最高的光电转换效率。利用红外光谱研究染料吸附方式时发现，LJ201之所以表现出较差的光伏性能是因为其吸附方式是单齿，单齿吸附影响了其电子注入效率。
　　电解质作为传递电子的媒介对电池性能产生很大影响。常用的I-/I3-液态电解质在可将光区有很强的吸收，并且在大面积电池的应用中会腐蚀电池中使用的金属，也会因溶剂挥发等问题对电池的封装造成影响，因此开发可替代的电解质十分有意义。
　　在本论文中，S2-/Sx2-和I-杂合离子液体电解质分别与金属配合物光敏剂和纯有机光敏剂组装成电池。研究电池的光伏性能，以及电池内部电子的传递情况后发现，相比于I-/I3-电解质，这种杂合电解质几乎不吸收光，并且不论在金属配合物光敏剂敏化的电池还是纯有机光敏剂敏化的电池中均能够取得良好的实验结果。通过测试不同光照下的电池性能发现，这类杂合离子液体电解质在1个标准光强下与低光照下获得同样良好的光伏性能。最后本论文中还设计合成了一类I-/邻苯醌杂合电解质，研究了其在染料敏化太阳能电池中的应用情况。这类电解质由于存在电子复合问题，在染料敏化太阳能电池中的应用仍需要进一步的研究。

目录

声明

摘要

引言

1 文献综述

1．1 前言

1．1．1 太阳能简介

1．1．2 太阳能电池的发展

1．2 染料敏化太阳能电池(DSCs)的发展

1．3 染料敏化太阳能电池的工作原理

1．4 染料敏化太阳能电池的性能参数

1．5 光阳极和对电极材料

1．6 光敏剂

1．6．1 金属配合物光敏剂

1．6．2 纯有机光敏剂

1．7 电解质

1．7．1 液态电解质

1．7．2 准固态电解质

1．7．3 固态电解质

1．8 展望和选题依据

2 光敏剂的制备

2．1 吩噁嗪类光敏剂的制备

2．1．1 仪器与试剂

2．1．2 化合物分子结构设计

2．1．3 染料LJ101～LJ103的合成路线

2．2 带轴向吸附基团的硅卟啉类光敏剂的制备

2．2．1 仪器与试剂

2．2．2 化合物分子结构设计

2．2．3 染料LJ201～LJ203的合成路线

2．3 化合物光电性质、电池组装和光伏性能研究方法

2．3．1 光物理和电化学测试

2．3．2 电池组装与性能测试

2．4 本章小结

3 吩噁嗪类光敏剂的性质测试与光伏性能研究

3．1 引言

3．2 光敏剂LJ101～LJ103的性质测试

3．2．1 紫外可见吸收光谱和荧光发射光谱

3．2．2 电化学测试

3．2．3 量子化学计算

3．3 电池光伏性能研究

3．3．1 光电转换效率和IPCE测试

3．3．2 电化学阻抗测试

3．3．3 Mort-Schottky测试

3．3．4 稳定性测试

3．4 本章小结

4 带轴向吸附基团的硅卟啉光敏剂的性质测试与光伏性能研究

4．1 引言

4．2 光敏剂LJ201～LJ203的性质测试

4．2．1 紫外可见吸收光谱

4．2．2 红外光谱

4．2．3 电化学测试

4．2．4 不同CDCA含量对光敏剂LJ201～LJ203在TiO2上吸附情况的影响

4．2．5 量子化学计算

4．3 电池光伏性能研究

4．3．1 光电转换效率和IPCE测试

4．3．2 电化学阻抗测试

4．4 本章小结

5 硫／碘杂合离子液体电解质的性质测试和光伏性能研究

5．1 引言

5．2 仪器与试剂

5．3 四甲基铵阳离子硫／碘杂合离子液体的制备

5．3．1 化合物结构设计

5．3．2 化合物的合成与表征

5．4 四甲基铵阳离子硫／碘杂合离子液体电解质的光伏性能研究

5．4．1 紫外可见吸收光谱

5．4．2 光电转换效率和IPCE测试

5．4．3 电解质工作过程的研究

5．4．4 电化学阻抗研究

5．4．5 不同光照下DSCs的光伏性能研究

5．4．6 四甲基铵阳离子硫／碘杂合离子液体在纯有机染料敏化太阳能电池中的应用研究

5．5 1，2-二甲基-3-丙基咪唑阳离子的硫／碘杂合离子液体的制备

5．5．1 化合物结构设计

5．5．2 化合物的合成与表征

5．6 1，2-二甲基-3-丙基咪唑阳离子硫／碘杂合离子液体电解质的光伏性能研究

5．6．1 紫外可见吸收光谱测试

5．6．1 光电转换效率和IPCE测试

5．6．2 Mott-Schottky测试

5．6．3 电化学阻抗测试

5．6．4 不同光照下DSCs的光伏性能研究

5．7 本章小结

6 邻苯二酚盐／邻苯醌和I-杂合电解质的性质测试和光伏性能研究

6．1 引言

6．1 邻苯醌(o-BQ)的制备

6．1．1 仪器与试剂

6．1．2 邻苯醌(o-BQ)的合成与表征

6．2 邻苯二酚盐／邻苯醌和I-杂合电解质的光电性能研究

6．2．1 紫外可见吸收光谱

6．2．2 电化学测试

6．2．3 光电转换效率及IPCE测试

6．2．4 电化学阻抗测试

6．2．5 Mott-Schottky测试

6．3 本章小结

结论

参考文献

附录A 名词缩写

附录B 合成光敏剂和电解质的结构及名称

创新点摘要

致谢

作者简介