【摘 要】
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近年来,基于可持续能源的研究蓬勃发展,开发低成本器件也成为科研工作者的一个研究热点。其中,关于太阳能资源的利用引起了广泛的关注。而染料敏化太阳能电池(DSSCs)以其成本低廉、无毒无污染和光学性能可调等优点,在太阳能器件中脱颖而出。染料敏化剂是DSSCs的一个重要组成部分,其主要由纯有机光敏染料和金属有机配合物染料两大类组成。纯有机光敏染料的经典结构是D-n-A结构,即供体-桥链-受体结构,这三部
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近年来,基于可持续能源的研究蓬勃发展,开发低成本器件也成为科研工作者的一个研究热点。其中,关于太阳能资源的利用引起了广泛的关注。而染料敏化太阳能电池(DSSCs)以其成本低廉、无毒无污染和光学性能可调等优点,在太阳能器件中脱颖而出。染料敏化剂是DSSCs的一个重要组成部分,其主要由纯有机光敏染料和金属有机配合物染料两大类组成。纯有机光敏染料的经典结构是D-n-A结构,即供体-桥链-受体结构,这三部分均可以通过分子结构的修饰来改变DSSCs的光电转换效率。目前,DSSCs由于光电转化效率低于硅基太阳能电池的局限性限制了其在商业上的发展。本论文以三苯类衍生物作为供体,通过引入吸电子基团苯并噁唑作为辅助受体合成了两个D-π-A-A型染料分子ML和MS,且在吸电子基(-CN)和锚定基团(-COOH)之间引入了苯基合成了一个D-A-π-A型染料分子BS,期待通过这两种受体修饰方法能够提高DSSCs的光电转换效率。通过结构表征、光物理性能测试、电化学测试、理论计算以及光伏性能测试等对其进行了系统的研究,主要研究内容如下:(1)以4-氨基-3-羟基苯甲酸甲酯为原料,通过环化反应、酯还原反应、氧化反应、溴代反应、Suzuki偶联和Knoevenagel反应合成了染料ML、MS和参比染料AZ6;以对乙氰基苯甲酸甲酯为原料,通过Knoevenagel反应和酯水解反应合成了染料BS和参比染料TS。通过核磁、红外、质谱和元素分析确定了其结构的正确性。(2)探讨了两种不同方向的受体结构修饰对于染料光物理和电化学性能的影响。通过溶液紫外和薄膜紫外的测试结果发现,染料ML和MS的紫外吸收波长相较于参比染料AZ6均发生了不同程度的蓝移,但其摩尔消光系数均有所增强,因而总体吸收峰的面积与AZ6相差不大;而染料BS的溶液光吸收波长虽然比参比染料TS蓝移,但其薄膜的光吸收与TS相比发生了红移。通过电化学性能测试发现,染料的HOMO和LUMO轨道能级均能与TiO2导带能级以及电解质中I-/I3-氧化还原电位相匹配,且其能级带隙的变化趋势均与理论计算值一致。(3)理论计算分析结果发现,染料的电子云分布情况均有利于分子内ICT的转移,二面角的增大表明了引入苯并噁唑基团和苯基后破坏了分子的平面性,使染料分子的构型进一步扭曲,有利于抑制π-π分子堆积和各界面间的电荷重组。(4)光伏器件测试发现:染料ML的负载量最大,表明其与TiO2薄膜结合紧密,电子注入效率最高;染料ML和MS的开路电压(Voc)及填充因子(FF)相较于AZ6均有所增加,主要是由于它们对于电子复合的抑制效果较好,而它们的短路电流密度(Jsc)小于AZ6,则是由于它们的光吸收范围较窄。综合三个因素,染料的 PCE 值依 MS(6.99%)<AZ6(8.01%)<ML(8.22%)的顺序增加,它们的IPCE的范围与紫外吸收趋势保持一致,且ML比 MS红移,充分证明富电子的双噻吩比单噻吩更有利于扩宽光谱范围;染料BS的PCE值(3.66%)大于参比染料TS(3.23%),且IPCE值也有所增高,充分证明了在染料的吸电子基与锚定基团之间插入苯基后的分离效果较好,更有利于扩宽光谱吸收范围,降低能级带隙差值,且由于苯基的插入增大了分子的尺寸与扭转角,抑制了分子间π-π分子堆积和各界面间的电荷重组,从而增大了 PCE值。(5)两种染料的电子复合速率与电子寿命的大小均与开路电压保持一致,可见染料分子引入苯并噁唑基团及苯基后进一步增大了长度与扭转角度,有利于抑制电子复合,提高电子注入效率,以及延长电子寿命,从而提高了电池的光电转换效率。
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