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三聚茚基非对称芳胺类有机染料的合成及光伏性能研究

郝玉杰  
【摘要】:染料敏化太阳能电池与硅光伏器件相比,由于染料敏化太阳能电池具有制造简单和成本低等优势而备受关注。在过去的二十年间,人们为了寻求新型高效有机光敏剂做了许多研究性实验,这都促进了染料敏化太阳能电池的发展。迄今为止,研究的所有光敏剂类型中,芳胺有机染料以10.3%的光电转换效率而被看成是目前染料敏化太阳能电池最具前景的光敏剂。 三芳胺为电子供体的有机染料具有以下优点:摩尔吸光系数高;有效抑制电子复合;防止聚集。基于以上原因本课题设计3种新型有机光敏染料,它们均以三聚茚修饰的非对称三芳胺为电子供体,以环氧噻吩(EDOT)为共轭桥,氰基乙酸为电子受体,形成D-π-A型有机敏化染料(M20、M21和M22)。着重考察染料结构对电池性能的影响。 M20分子结构的供电部分引入EDOT拓宽了供电部分的π共轭体系;M21和M22由于分子结构中分别引入对甲氧基联苯基和9,9-二丙基芴基降低了最高占有分子轨道(HOMO)与最低未占有分子轨道(LUMO)间的带隙,导致三种染料的分子内电荷转移(ICT)吸收峰波长(520nm、519nm和524nm)相比于M4(506nm)分别红移14nm、13nm和18nm。 三种染料的HOMO能级值均比[Co(phen)—3]2+/3+和I/I—3的氧化还原电势(0.62V和0.4V vs NHE)要正,这表明染料有足够的使染料被还原再生的驱动力,即能够被二价钴离子或碘负离子还原再生。三种染料的LUMO能级值(即染料的激发态氧化还原电位,分别是-1.22V、-1.11V和-1.11V vs NHE)均比TiO2导带的能级值(ECB,-0.5V vsNHE)更负,这表明染料可以提供足够的电子注入驱动力将激发态电子注入到TiO2导带。三种染料均符合DSCs的能级匹配原则。钴电解液中TBP含量对电池性能的影响也一并进行了研究。发现使用浓度为0.8M TBP的钴电解液的电池测出的性能最优。 研究还发现染料M21和M22引入强电子供体单元(如二丙基芴基和4-甲氧基联苯基)能明显提高光捕获能力、电池的短路光电流密度及光电转换效率。综合所有因素,测得新合成的3个染料中M22的性能最优,其光电转换效率PCE最高可达7.89%。


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