染料敏化太阳能电池光电转换材料研究

摘要

染料敏化太阳能电池（dye-sensitized solar cells, DSSCs）以其工艺简单、价格低廉以及环境友好等众多优点引起了科研工作者的广泛关注，是太阳能电池领域研究的热点。作为捕获太阳光子的光敏染料则是DSSCs最核心的组成部分，其光物理、电化学性质对于电池器件的性能有极大影响。本论文基于研究分子结构对于光敏染料的光物理、电化学性质以及相应器件性能的影响为目标，从简单棒状D-π-A型光敏染料出发，在其电子给体外围引入新的次级电子给体设计、制备了一系列星射状2D-D-π-A型光敏染料，并且最终实现了光电转换效率的大幅提高。利用质谱、核磁共振等对光敏染料结构进行了表征。在结构表征的基础上进一步测试了光敏染料的光物理、电化学性质，并将其应用于 DSSCs，初步探讨了光敏染料结构与电池性能之间的构效关系。
　　对于不同电子给体（咔唑、吩噻嗪以及二苯胺）的棒状 D-π-A型光敏染料而言，由于二苯胺的给电子能力较强，所以二苯胺为电子给体的光敏染料L0比以咔唑为电子给体的TC301以及吩噻嗪为电子给体的WD1具有更好的光吸收性能。三者之中， L0具有更正的基态氧化还原电位，最容易从电解质中得到电子而还原再生。光伏性能测试表明，相比TC301与WD1，L0的光伏性能最好，这是由于L0中二苯胺较强的给电子能力造成的。三个电池光伏性能的差异通过测试电化学阻抗得到了合理的解释。L0敏化的电池获得了最好的光伏性能，光电转换效率为2.03％（Jsc=4.78 mA cm-2，Voc=608 mV，ff=0.70）。
　　通过在光敏染料L0中分别引入1个和2个富硫单元DTF作为次级电子给体制备得到了D-D-π-A型光敏染料WD2和星射状2D-D-π-A型WD3。由于给电子单元DTF的引入，一方面改善了染料的光吸收性能；另一方面则在一定程度上抑制了染料的聚集。两个光敏染料的HOMO、LUMO能级均满足DSSCs染料的要求。光伏性能测试表明，DTF单元的引入能够提高染料的光伏性能，且随着DTF单元数量的增加，相应光敏染料的光电转换效率也随之增加。通过电池的电化学阻抗阐明了上述光敏染料展现不同光伏性能的原因。含有2个DTF单元的星射状光敏染料WD3获得了最好的光伏性能，光电转换效率为4.41%（Jsc=9.58 mA cm-2， Voc=648 mV，ff=0.71）。
　　在光敏染料 L0的结构中分别引入富电子单元吩噻嗪和咔唑作为次级电子给体，以氰基乙酸和罗丹宁-3-乙酸为电子受体制备了星射状2D-D-π-A型光敏染料WD4-7。相比于氰基乙酸为电子受体的光敏染料 WD4、WD6而言，罗丹宁-3-乙酸为电子受体的染料 WD5、WD7的吸收发生了明显的红移，这归因于罗丹宁-3-乙酸较强的吸电子能力。此外，吩噻嗪以及咔唑的引入构成了非共面性更好的星射状结构，能够有效抑制光敏染料在TiO2表面的聚集。光伏性能测试表明，罗丹宁-3-乙酸作为电子受体的光敏染料 WD5、WD7的光伏性能较氰基乙酸作为电子受体的光敏染料 WD4、WD6的性能要差，这是由于罗丹宁-3-乙酸上亚甲基的存在，使得光敏染料LUMO能级上电子云主要集中在罗丹宁主体上而不是羧酸基上，电子云和TiO2的3d轨道重叠不完全而导致较低的电子注入效率造成的。以吩噻嗪为次级电子给体、氰基乙酸为电子受体的光敏染料WD4获得了最好的光伏性能，光电转换效率为4.54%（Jsc=8.7 mA cm-2，Voc=660 mV，ff=0.79）。
　　在光伏性能相对较好的光敏染料WD4中分别引入了苯、噻吩以及呋喃单元作为共轭桥链制备了星射状2D-D-π-A型光敏染料WD8-10，研究了不同共轭桥链对于光敏染料性能的影响。由于噻吩和呋喃的给电子能力比苯环强，导致光敏染料（1）HOMO与LUMO能级差减小，吸收向长波方向移动；（2）基态氧化还原电位降低。光伏性能测试表明，在添加CDCA共吸附剂的情况下，三个光敏染料的光伏性能都下降了，这一结果说明具有星射状结构的这些光敏染料在TiO2表面的聚集并不明显，CDCA的加入反而减少了光敏染料的吸附量，从而导致了光伏性能的下降。以呋喃为共轭桥链的光敏染料 WD10得到了最高的光电转换效率6.79%，参比染料N3得到了8.0%的光电转换效率。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 染料敏化太阳能电池

1.3 本论文选题及主要工作

第二章 光敏染料的制备以及电池器件的组装

2.1 光敏染料的制备

2.2 染料光物理、电化学性质测试方法

2.3 电池器件组装以及光伏性能测试

2.4 本章小结

第三章 不同电子给体对光敏染料性能的影响

3.1 引言

3.2 紫外-可见吸收光谱

3.3 电化学性质

3.4光伏性能研究

3.5 电化学阻抗研究

3.6 密度泛函理论计算

3.7 本章小结

第四章 富硫单元修饰三苯胺光敏染料的研究

4.1 引言

4.2 紫外-可见吸收光谱

4.3 电化学性质

4.4 光伏性能研究

4.5 电化学阻抗研究

4.6 密度泛函理论计算

4.7 本章小结

第五章 星射状三苯胺光敏染料的研究

5.1 引言

5.2 紫外-可见吸收光谱

5.3 电化学性质

5.4 光伏性能研究

5.5 电化学阻抗研究

5.6 密度泛函理论计算

5.7 本章小结

第六章 共轭桥链对于星射状光敏染料性能的影响

6.1 引言

6.2 紫外-可见吸收光谱

6.3 电化学性质

6.4 光伏性能研究

6.5 电化学阻抗谱研究

6.6 密度泛函理论计算

6.7 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 全文总结

7.2 主要创新点

7.3 展望

致谢

参考文献

攻博期间取得的研究成果