【摘要】：隨著煤炭、石油、天然氣等不可再生能源的枯竭,人們開始意識(shí)到可再生能源開發(fā)的重要性。在可再生能源中,太陽(yáng)能以其安全、衛(wèi)生、清潔、資源充足和應(yīng)用廣泛等顯著優(yōu)點(diǎn)逐漸成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。1991年,瑞士聯(lián)邦高工的Gr?tzel研究小組發(fā)明了一類新型太陽(yáng)能電池—染料敏化太陽(yáng)能電池(Dye-Sensitized Solar Cells,DSSCs),該類電池克服了傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池制作工藝復(fù)雜、成本昂貴等缺點(diǎn),并獲得了高達(dá)13%的光電轉(zhuǎn)換效率。在DSSCs中,光敏染料的光致激發(fā)、電子由染料向二氧化鈦(Ti O2)導(dǎo)帶的注入和氧化態(tài)光敏染料的還原等重要過(guò)程均發(fā)生在染料/TiO2光陽(yáng)極界面上,所以研究這一界面對(duì)于提高DSSCs光電性能有著重大的意義。基于此,本論文開展了以下兩方面的研究:一、探索高效的新型光敏染料,二、研究溶劑效應(yīng)對(duì)于染料/TiO2光陽(yáng)極界面的影響。1.光敏染料是染料/TiO2光陽(yáng)極的重要組成部分,起著捕獲光子產(chǎn)生激發(fā)態(tài)電子的重要作用。為了高效、快捷地尋找高性能的光敏染料,采用密度泛函理論計(jì)算對(duì)所設(shè)計(jì)的四硫富瓦烯(TTF)、吩噻嗪、咪唑等三類芳胺光敏染料進(jìn)行理論篩選。研究結(jié)果表明,TTF可以作為光敏染料的良好電子給體,它的引入能夠極大增加光敏染料的光捕獲能力。通過(guò)對(duì)吩噻嗪光敏染料共軛橋的修飾,能擴(kuò)寬此類光敏染料的光吸收范圍從而提高光電轉(zhuǎn)換效率。所設(shè)計(jì)的咪唑類分子適合作為光敏染料,并具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制備的特點(diǎn),有益于后續(xù)工作的開展,所以后續(xù)章節(jié)的研究均基于此類光敏染料。2.制備理論篩選的咪唑類目標(biāo)光敏染料,并將其組裝成DSSCs進(jìn)行研究。采用理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的研究方法,探討了四種CD染料的光物理、電化學(xué)性質(zhì)以及相應(yīng)DSSCs的光電性能,并在原子層面上對(duì)此類光敏染料的性能差異給予了微觀解釋�；贑D-4、CD-5的電池器件分別獲得了1.89和0.61%的光電轉(zhuǎn)換效率。進(jìn)一步,在CD-4、CD-5結(jié)構(gòu)中引入三苯胺基團(tuán)制備的CD-7、CD-8獲得了更為高效的光電性能,電池的光電轉(zhuǎn)換效率分別為4.11和1.51%。研究表明,染料光電性能的改善是由于三苯胺基團(tuán)的引入增強(qiáng)了光敏染料的光捕獲能力和空間位阻作用。3.基于制備的咪唑光敏染料CD-6,選取THF、DMF為溶劑,研究了溶劑效應(yīng)對(duì)于染料/TiO2光陽(yáng)極界面以及DSSCs光電性能的影響。以THF、DMF為敏化溶劑制備的電池分別獲得了1.53和0.83%的光電轉(zhuǎn)換效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在THF中,CD-6敏化TiO2薄膜的吸收范圍更廣且染料分子吸附密度更大,最終獲得了更好的光電性能。并采用DFT理論模擬了THF、DMF對(duì)CD-6在TiO2表面吸附形貌的影響,在原子層面解釋了電池的性能差異。
[Abstract]:With the depletion of non-renewable energy such as coal, oil, natural gas and so on, people begin to realize the importance of renewable energy development. In renewable energy, solar energy has gradually become the focus of attention because of its remarkable advantages, such as safety, sanitation, cleanliness, sufficient resources and wide application. The Swiss federal high-tech Gr?tzel research team has invented a new type of solar cell-dye-sensitized solar cell (Dye-Sensitized Solar Cells,DSSCs). This kind of cell has overcome the shortcomings of traditional solar cell, such as complex fabrication process, high cost and so on. The photoelectric conversion efficiency of up to 13% is obtained. In DSSCs, the photoexcitation of Guang Min dye, the injection of electrons from dye to titanium dioxide (TiO2) conduction band and the reduction of oxidized Guang Min dye occur on the dye / TiO2 photoanode interface. Therefore, it is of great significance to study this interface to improve the photoelectric performance of DSSCs. Based on this, the following two aspects have been studied in this paper: first, to explore the new type of Guang Min dye with high efficiency, and second, to study the effect of solvent effect on the interface of dye / TiO2 photoanode. Guang Min dye is an important part of dye / TiO2 photoanode, which plays an important role in trapping photons to produce excited electrons. In order to find high performance Guang Min dye efficiently and quickly, three kinds of arylamine Guang Min dyes, such as tetrathiafulvalene (TTF), phenothiazide and imidazole, were selected theoretically by density functional theory (DFT). The results show that TTF can be used as a good electron donor for photoperiod sensitive dye, and its introduction can greatly increase the light capture ability of photosensitive dye. By modifying the conjugated bridge of phenothiazin photosensitive dye, the optical absorption range of this kind of Guang Min dye can be broadened and the photoelectric conversion efficiency can be improved. The imidazole molecules designed are suitable for Guang Min dye, and have the characteristics of simple structure and easy preparation, which is beneficial to the development of follow-up work, so the research in the following chapter is based on this kind of Guang Min dye. 2. The imidazole target Guang Min dye selected by theory was prepared and assembled into DSSCs for study. The photophysical and electrochemical properties of four kinds of CD dyes and the photoelectric properties of the corresponding DSSCs were discussed by means of theoretical and experimental research, and the performance differences of this kind of Guang Min dyes were explained microscopically at the atomic level. The photoelectric conversion efficiency of battery devices based on CD-4,CD-5 is 1.89% and 0.61%, respectively. Furthermore, the CD-7,CD-8 prepared by introducing triphenylamine group into CD-4,CD-5 structure has more efficient photoelectric performance, and the photoelectric conversion efficiency of the battery is 4.11% and 1.51%, respectively. The results show that the improvement of the photoelectric properties of the dye is due to the enhancement of the light capture ability and steric hindrance of the photosensitive dye by the introduction of triphenylamine group. 3. Based on the prepared imidazole Guang Min dye CD-6, THF,DMF was selected as solvent to study the effect of solvent effect on the interface of dye / TiO2 photoanode and the photoelectric properties of DSSCs. The photoelectric conversion efficiency of the battery prepared with THF,DMF as sensitized solvent was 1.53% and 0.83%, respectively. The experimental results show that the absorption range of CD-6 sensitized TiO2 thin films is wider and the adsorption density of dye molecules is higher in THF. Finally, better optoelectronic properties are obtained. The effect of THF,DMF on the adsorption morphology of CD-6 on TiO2 surface was simulated by DFT theory, and the performance difference of the battery was explained at the atomic level.
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM914.4

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