论文部分内容阅读
染料敏化太阳能电池（Dye-sensitized Solar Cells,DSSCs）以其制造简单、成本较低和环境友好等优点,在全世界受到了广泛的关注。染料敏化剂作为DSSCs的核心组成部分,主导着DSSCs的光电转换效率。有机染料敏化剂因其合成步骤简单、结构易修饰和摩尔吸光系数高等优势,在染料敏化剂中脱颖而出。久洛尼定及其衍生物是一类含氮杂环芳香族化合物,其具有较强的给电子特性、刚性和非共面结构的特点,已被广泛应用于DSSCs中。论文设计合成了三个系列九种新型久洛尼定类染料敏化剂,通过核磁、质谱对染料敏化剂分子结构进行了表征。将九种染料敏化剂组装成DSSCs,从光物理性能、电化学性能、光电性能及分子理论计算四方面进行了研究,探讨了构效关系。以8-丁氧基-1,1,7,7-四甲基久洛尼定为电子给体,分别以氰基乙酸、罗丹宁-3-乙酸为电子受体,设计合成了两种D-A型久洛尼定类染料敏化剂JQ和JL。由于染料敏化剂JL的受体单元罗丹宁-3-乙酸基由于亚甲基的存在导致其共轭链断裂,阻碍了电子传输,导致其敏化的DSSCs光电转换效率较低。相比较之下,基于染料敏化剂JQ的DSSC,获得了较高的光电转换效率1.00%（Jsc=2.05m A/cm2,Voc=0.67 V,ff=73.16%）。染料敏化剂JQ分别与N719和Z907共敏化,DSSCs的光电转换效率从1.00%分别提高至6.05%和7.48%。染料敏化剂JL分别与N719和Z907共敏化,光电转换效率从0.52%提高至7.02%,6.55%。染料敏化剂JQ和JL与CDCA共吸附,光电转换效率分别从1.00%和0.52%提高至1.06%和1.16%。以8-丁氧基-1,1,7,7-四甲基久洛尼定为电子给体,以乙烯基噻吩单元为π桥,分别以苯甲酸、氰基乙酸、罗丹宁-3-乙酸为不同电子受体合成了三种D-π-A型久洛尼定类染料敏化剂JXSB、JXSQ和JXSL。染料敏化剂JXSB分子中由于苯环的引入,分子的扭曲程度增加,π共轭程度降低,影响了光吸收,降低了DSSC的光利用率。染料敏化剂JXSL的受体单元的罗丹宁五元环与羧基之间由于亚甲基片段的阻隔,导致受体的共轭链断裂,阻碍了电子传输,导致基于染料敏化剂JXSL的DSSC的光电性能较差。基于染料敏化剂JXSQ的DSSC具有较强的光捕获能力和较强的电荷传输动力,最终获得了较高光电转换效率为1.58%（Jsc=3.56 m A/cm2,Voc=0.61 V,ff=71.98%）。染料敏化剂JXSB、JXSQ和JXSL与CDCA共吸附,DSSCs的光电转换效率分别从1.10%、1.58%和0.23%提高至1.56%、2.50%和0.68%。以8-丁氧基-1,1,7,7-四甲基久洛尼定为电子给体,分别以乙烯基-呋喃、乙烯基-苯、乙烯基-并二噻吩、乙烯基-联二噻吩为π桥,以氰基乙酸为电子受体合成了四种D-π-A型久洛尼定类染料敏化剂JXFQ、JXBQ、JXBSQ和JXLSQ。将染料敏化剂应用于DSSCs,以染料敏化剂JXSQ作为参照染料,比较了不同芳杂环桥键对DSSCs光电性能的影响。当将呋喃引入π桥,增大了染料的基态跃迁能,吸收光谱蓝移,光捕获能力减弱,导致基于染料敏化剂JXFQ的DSSC的光电性能较差。染料敏化剂JXBQ在π桥引入苯环,分子平面性下降,抑制分子在Ti O2表面的π-π堆积,降低了电荷复合速率,开路电压增大。基于染料敏化剂JXSQ、JXBSQ和JXLSQ的DSSCs光电性能结果表明在π桥引入噻吩及噻吩衍生物,可以增强染料的光捕获能力,提高可见光的利用率,改善DSSCs的光电流。最终基于染料JXLSQ的DSSC获得最高的光电转换效率2.01%（Jsc=4.59 m A/cm2,Voc=0.63 V,ff=69.97%）。染料JXFQ、JXBQ、JXBSQ和JXLSQ与CDCA共吸附,DSSCs的光电转换效率分别从1.06%、1.81%、1.63%和2.01%提高至1.84%、3.05%、2.27%和2.85%。