染料敏化太阳能电池中钌基染料的计算机辅助设计和工艺研究

【摘要】：太阳能作为一种储量丰富,清洁无污染的能源一直广受关注。1991年瑞士科学家Graztel和O'Regan首次将Ti02纳米晶多孔薄膜用于染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cells,DSSCs)中,大幅提高了此类电池的光电转换效率。经过20多年的发展,DSSCs凭借着低廉的制造成本、简单的结构和较高的光电转化效率等优点,逐渐成为传统太阳能电池最有力的竞争者,被誉为为第三代太阳能电池。染料敏化剂是DSSCs中的核心成分之一,也是占成本比重较大的组分。目前使用最多的染料仍然是以钌为中心原子的联吡啶类染料,包括N3,N719等,其中CYC-B11染料创造了高达11.5%的光电转化效率的记录。但是钌本身是一种贵金属元素,并且核心配体4,4'-二甲酸-2,2'-联吡啶制备成本昂贵,如何能够设计出具有更高光电性能的钌基染料和低成本并且高效的合成出来是我们亟需解决的问题。 在本论文中,我们用理论分析和实验合成的方法研究了新型染料的设计思路和钌基染料的合成工艺,主要工作包括以下三部分： 1、通过DFT和TDDFT的方法,选取不同烷基链长的钌基染料作为研究对象,理论的分析了染料结构如何影响DSSCs光电转换效率的两个重要因素—短路电流(Jsc)和开路电压(Voc)。通过计算光捕获效率(LHE)和染料激发态电子注入到Ti02导带的驱动力(△Ginject),来分析对短路电流的影响。通过引入一个简单的TiO2吸附模型来模拟染料与TiO2之间的相互作用,并计算出了影响开路电压的垂直偶极矩和激发态时Ti02上面的电荷转移量。计算结果表明Jsc和Voc随烷基链增长而增大(从1到13),而Voc在链长为13时开始下降。计算结果和实验结果吻合,表明该种计算模型运用在理论分析钌基染料时是有效的。 2、利用上述验证过的有效计算模型,我们据此设计出了新型的高效钌基染料。噻吩官能团在钌基染料中有非常好的光电表现,我们通过运用上述模型理论表征已经合成出来的含各种噻吩基团的钌基染料,基于实验数据和理论分析这些官能团对染料光电性能的影响。通过分析比较最终确定含有三个噻吩基团的DyeA-1号染料具有较好的理论表现,有望在实验中有突出的光电性能表现。 3、提出了一种以廉价的工业原料2-氯异烟酸为原料,丙三醇/水混合溶液为溶剂,质量分数10%的钯碳为催化剂,发生催化偶联反应的工艺路线,经济简便的合成出了钌基染料的核心配体的4,4'-二甲酸-2,2'-联吡啶。该工艺路线具有条件温和,产率高,催化剂可回收再利用等优点,有望实现工业化。该配体在避光,高温和氮气保护的条件下,与水合三氯化钌发生配合反应,然后再加入硫氰酸钾取代氯基团,一锅法合成出了N3染料。该工艺路线可以运用在具有相同结构的钌基染料合成中。