本文關鍵詞： 染料敏化太陽能電池 光敏染料 光電轉化效率 碘基電解質 鈷基電解質　出處：《天津大學》2014年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：1991年，瑞士科學家Michael Gr tzel報道了染料敏化太陽能電池（Dye-sensitized solar cells，DSCs），在模擬太陽光的照射下，獲得了7.1-7.9％的光電轉換效率。該類電池與傳統(tǒng)的晶硅類太陽能電池相比，加工工藝簡單，制造成本低廉，為人類大規(guī)模利用太陽能提供了新的途徑。此后，DSCs成為太陽能光伏應用領域的研究熱點。近年來，絕大部分光敏染料的設計、合成主要集中于碘基電解質，而碘電解質自身的缺陷限制了DSCs光電轉換效率的進一步提高，研究發(fā)現，采用鈷電解質可以降低太陽能電池生產成本，并且更加環(huán)保。但是僅僅用鈷電解質代替碘電解質，，電池性能并未得到提高。目前，基于兩種電解質的光敏染料的研究報道還很少。為了進一步提高DSCs的性能，需要探索染料在兩種電解質中的構效關系及協(xié)同作用機制，使光敏染料和電解質協(xié)同配合，以促進染料分子結構的優(yōu)化和設計。 基于上述分析，本論文的研究主要包括以下內容：（1）設計、合成四種新型有機染料M14、M24、XS51和XS52，旨在提高染料的光捕獲能力和抑制電子復合的能力，使其適用于鈷電解質。染料M14和M24以三聚茚修飾的三芳胺為供電基團，XS51以己氧基修飾的三芳胺為供電基團，XS52以二氫吲哚為供電基團，四種染料都是以氰基乙酸為電子受體，以環(huán)氧噻吩（EDOT）為π共軛橋結構。染料經過溴化、偶聯、威爾斯邁爾反應和Knoevenagel縮合等反應合成。對四種染料以及它們的中間體進行了結構表征，證明了染料結構的正確性；（2）用染料M14、M24、XS51和XS52制作了基于碘基電解質和鈷基電解質的染料敏化太陽能電池，包括二氧化鈦薄膜電極、對電極的制備、敏化過程、電解質注入過程和封裝過程；（3）測試了電池的光伏性能，進行了密度泛函和含時密度泛函計算，結合測試數據分析了染料的結構和電解質種類對電池性能的影響及二者的協(xié)同作用機制。 基于有機染料M14和M24，論文中詳細分析了三聚茚基作為給體時，其烷鏈長度對碘基和鈷基電解質的染料敏化太陽能電池的光電性能的影響。使用碘電解質時，丙基染料M14制成的電池比己基染料M24電池表現出更大的短路電流Jsc和更高的光電轉換效率（PCE），由于前者吸附的染料量大、電子壽命相當。然而，M24敏化的鈷電池的性能優(yōu)于M14電池，主要是由于前者電子壽命顯著增加。強度調制光電壓譜（IMVS）數據表明，鈷電池的電子壽命主要取決于烷鏈的長度；而碘電池的電子壽命受烷鏈的影響并不明顯。電子濃度和電子壽命數據也證明了電池的光電性能和電解質中4-叔丁基吡啶（TBP）濃度的關系也與烷鏈長度有關。還分析了導帶遷移和電子壽命與TBP濃度之間的關系。隨著TBP濃度的增加，M14電池的光電流Jsc降低，而M24電池的光電流Jsc變化不大。密度泛函DFT和含時密度泛函TDDFT計算結果表明，光照后給體中的電子可以連續(xù)地轉移到受體部分，然后注入到二氧化鈦的導帶。使用鈷電解質E2的M14電池，其短路電流密度Jsc、開路電壓Voc、填充因子FF分別是10.7mA cm 2、846mV和0.71，總的光電轉化效率PCE為6.42%。相比之下，引入了長烷鏈的M24電池的開路電壓顯著提高了近100mV，總的光電轉化效率提高到了7.86%。根據實驗數據，我們認為在未來的鈷電池有機染料的發(fā)展過程中，給體部分帶有長烷鏈的有機染料應作為首選。 基于三芳胺染料XS51和二氫吲哚染料XS52，研究了染料結構對光物理性質、電化學性質和電池性能的影響。同XS51相比， XS52顯示出吸收光譜的紅移和更高的分子消光系數。由于二氫吲哚的給電子能力強，XS52電池的短路電流Jsc更大。含有四個己氧基的三芳胺染料XS51表現出較好的位阻和較高的光電壓。二氫吲哚部分的兩個己氧基不足以阻止電池中二氧化鈦和電解質界面的電子復合，因此，XS52與XS51相比，開路電壓Voc略有下降。在AM1.5（100mWcm-2）光強下，采用鈷電解質時，XS51電池的光電轉換效率PCE為5.88%，短路電流Jsc為10.5mAcm-2，開路電壓Voc為862mV，填充因子FF為0.65。XS52電池短路電流增加到11.5mA cm-2，開路電壓略有下降，為830mV。短路電流的增加彌補了開路電壓的下降，總的光電轉換效率升高到6.58%。兩種染料的鈷電池的光伏性能均比碘電池的要好。結果表明，合理設計空間結構復雜的有機染料可以提高不含碘的電池的性能。
[Abstract]:In 1991 , Swiss scientist Michael Grtzel reported dye - sensitized solar cells ( DSCs ) , and obtained 7.1 - 7.9 % of photoelectric conversion efficiency under the irradiation of simulated sunlight . Based on the above analysis , the research of this paper mainly includes the following : ( 1 ) designing and synthesizing four novel organic dyes 14 , M24 , XS51 and XS52 , aiming at improving the light trapping ability of the dye and inhibiting the electron recombination . The dye - sensitized solar cell based on the iodine - based electrolyte and the cobalt - based electrolyte is prepared by using the triarylamines modified by hexyloxy as the power supply group . The dye is subjected to bromination , coupling , Diels - Meyer reaction and Knoevenagel condensation and the like .

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本文編號：1454580