基于吡啶[3,4-b]并吡嗪/喹喔啉有机染料敏化剂的合成及其光电性能研究

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作为染料敏化太阳能电池(DSSCs)中捕获光的重要工具,近年来,有关染料敏化剂的研究得到了越来越多的关注。在众多类型的染料敏化剂中,纯有机染料敏化剂因为具有环保、低成本、高稳定性、结构灵活等特点成为研究的热点课题。本论文基于D-A-π-A型结构,设计并合成了3个系列(ZS、DTN、ZB)染料敏化剂,并对所有敏化剂的光物理性能和光伏性能等进行了研究。  第一章:首先简要阐述了DSSCs的研究背景,从其组成、工作原理及性能评价三个方面对DSSCs进行了介绍。着重介绍了染料敏化剂特别是纯有机染料敏化剂的研究进展及纯有机染料的分子设计策略。在此基础上,提出了本课题的设计思路和具体研究内容。  第二章:设计并合成了ZS系列的4个染料。ZS系列染料以带有烷氧基链的三苯胺作为给体、吡啶[3,4-b]并吡嗪为辅助受体,氰基乙酸为受体,分别以苯、噻吩、3,4-乙烯二氧噻吩(EDOT)、环戊烷二噻吩(CPDT)作为π桥链,分析了不同的π桥链对染料敏化剂性能的影响。实验结果显示,在AM1.5 G,100 mW cm-2光照条件下,以CPDT作为π桥链的敏化剂ZS-4性能较好,光电转化效率为5.57%(短路电流为10.56 mAcm-2,开路电压为721mV,填充因子72.95%)。  第三章:为了研究吡啶并[3,4-b]吡嗪中吡啶N原子位置(靠近给体或靠近受体)对染料光电性能的影响,设计合成了分别以三苯胺、吲哚啉衍生物为给体、以噻吩为π桥链,氰基乙酸为受体,吡啶[3,4-b]并吡嗪为辅助受体的染料分子DT-1、DT-2、DTN-1、DTN-2,其中DT-1、DT-2辅助受体中吡啶N原子的位置靠近给体,DTN-1、DTN-2的辅助受体中吡啶N原子的位置靠近受体,研究辅助受体中吡啶N原子的位置对染料性能的影响。实验结果显示:当吡啶N原子靠近受体时,染料吸收波长红移,但光捕获能力下降,电子复合增加,染料光电转化效率降低。在AM1.5 G,100 mW cm-2光照条件下,基于染料DTN-1和DTN-2电池的光电转化效率分别为6.10%和4.12%。  第四章,设计并合成了四种具有不同吸附基团的ZB系列染料。ZB系列染料以带有烷氧基链的三苯胺为给体、喹喔啉为辅助受体、苯为π桥链、吸附基团分别选择了氰基乙酸、羧酸、吡啶和丙二腈绕丹宁。实验结果显示:以氰基乙酸作为吸附基团时(ZB-1)染料的吸收光谱得到了有效的扩宽,光电转化效率在同系列染料中较高,达到7.13%(Jsc:13.28 mAcm-2,Voc:708mV, FF:75.81%)。
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