【摘要】：近幾年來隨著全球工業(yè)的高速發(fā)展,對(duì)能源的需求也越來越大,而且大量溫室氣體的排放嚴(yán)重影響了生態(tài)平衡的可持續(xù)發(fā)展。發(fā)展利用可再生能源成為解決能源危機(jī)和維持生態(tài)平衡可持續(xù)發(fā)展的重要途徑,太陽能作為可再生能源具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展等方面的優(yōu)點(diǎn),因此越來越多的人把研究方向轉(zhuǎn)向太陽能。性能優(yōu)良的敏化染料對(duì)提高光電轉(zhuǎn)換效率至關(guān)重要,其中三苯胺因獨(dú)特的空間結(jié)構(gòu),使得以三苯胺為電子供體的一類有機(jī)染料在染料敏化太陽能電池上得到了廣泛的關(guān)注。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,化學(xué)計(jì)算方法和高性能計(jì)算平臺(tái)取得了很大的進(jìn)步,已經(jīng)應(yīng)用到分子結(jié)構(gòu)及性能研究中,這使得研發(fā)時(shí)間大幅縮短,避免了實(shí)驗(yàn)資源的浪費(fèi)。本文設(shè)計(jì)了兩類敏化染料分子,第一類是在原始構(gòu)型為D-π-A型的三苯胺類敏化染料B1的基礎(chǔ)上引入不同的額外受體構(gòu)成D-A-π-A型敏化染料分子;第二類是在以苯并惡二唑?yàn)轭~外受體的D-A-π-A型敏化染料分子中供電子基團(tuán)的三苯胺支鏈上引入不同的基團(tuán)構(gòu)成新的染料分子。設(shè)計(jì)的分子都利用密度泛函理論對(duì)染料分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、電荷分布、能級(jí)等計(jì)算,研究不同額外受體和三苯胺支鏈對(duì)敏化染料結(jié)構(gòu)及性能的影響。計(jì)算研究表明設(shè)計(jì)的11種染料均能保持穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu),在可見光區(qū)甚至紅外光區(qū)都有良好的吸收范圍,均具有較窄的帶隙。比較HOMO和LUMO能級(jí)的電荷分布可知,這些染料都可以發(fā)生分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移。同時(shí)由于HOHO能級(jí)均低于氧化還原電解質(zhì)I~-/I_3~-的氧化還原電位,LUMO能級(jí)均高于TiO_2的導(dǎo)帶能級(jí),因此保證了染料電子的有效轉(zhuǎn)移和染料重生。通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的綜合分析,得出兩類敏化染料的性能排序?yàn)镈PPBTDBODPDPQuBTZB1和DyeEDye BDyeCDyeADye DB1-BOD。根據(jù)計(jì)算研究的結(jié)果選取了性能較好的B1-BOD和DyeE為合成對(duì)象,以苯并二唑-4-甲醛,三苯胺硼酸,4-硼酸-4',4'二甲氧基三苯胺、氰基乙酸為主要原料,通過溴代反應(yīng),Suzuki偶合反應(yīng),Knoevenagel縮合反應(yīng)對(duì)其進(jìn)行了合成,對(duì)中間產(chǎn)物和目標(biāo)產(chǎn)物進(jìn)行~1H NMR、~(13)C NMR、MS及IR檢測驗(yàn)證,結(jié)果表明合成了目標(biāo)產(chǎn)物。對(duì)B1-BOD和Dye E進(jìn)行了光學(xué)測試、電化學(xué)測試及光伏性能測試,結(jié)果顯示兩種染料染料有較寬的吸收光譜范圍,分別為200-652.5nm、200-700nm;兩種染料的HOMO和LUMO能級(jí)與二氧化鈦和電解液的能級(jí)相匹配,符合作為敏化劑所必要的條件;并利用量子化學(xué)計(jì)算了染料的電子躍遷參數(shù),進(jìn)一步從理論上說明了兩種染料的性能良好。
【學(xué)位授予單位】：河北科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TQ618.99
【圖文】：

圖 1-1 DSSCs 的簡易組成圖極作為 DSSCs 中不可或缺的構(gòu)成部分，一般由負(fù)載著敏化染料的金屬其表面上敏化染料的吸附量和穩(wěn)定性將決定電池的性能。因此理論上該具有較大的比表面積，從而吸附較多的敏化染料分子，把更多電子。光陰極是染料敏化太陽能電池的另一個(gè)組成部分，能夠把外電路的回體系當(dāng)中，可以維持電解液中氧化還原電解對(duì)的平衡。目前使用相極是鍍鉑的導(dǎo)電玻璃和碳電極。DSSCs 中的電解液一般可以分為液態(tài)態(tài)電解質(zhì)，現(xiàn)階段使用的液態(tài)電解質(zhì)中 I3-/I-氧化還原電子對(duì)的占大多好的穩(wěn)定性，促使染料的再生。DSSCs 的工作原理染料敏化太陽能電池的主要目的就是利用其收集太陽光然后將光能轉(zhuǎn)個(gè)光電轉(zhuǎn)換的過程和生物界植物的光合作用相類似[22]。染料敏化太陽化染料就相當(dāng)于植物中的葉綠素，在整個(gè)過程中主要起到的作用是吸再產(chǎn)生電子。DSSCs 工作的原理是將敏化染料吸收太陽光然后產(chǎn)生的

圖 1-2 光電流密度-光電壓（J-V）曲線示意圖DSSCs 的電流和電壓，然后將電流轉(zhuǎn)換成電流密度就以看出短路電流密度（Jsc）是 J-V 曲線和縱坐標(biāo)的交和橫坐標(biāo)的交點(diǎn)。至于電池最大輸出功率時(shí)的電流密計(jì)算，在 J-V 圖中很難直接看出�；柲茈姵刂腥玖系囊筇柲茈姵刂衅鸬疥P(guān)鍵作用的是敏化染料，敏化染過程能否順利的進(jìn)行。因此如果要使敏化染料發(fā)揮么必須滿足一定條件的敏化染料才能夠被應(yīng)用到 DS探索得知由于的 TiO2半導(dǎo)體薄膜的禁帶為 3.2eV，不容易被激發(fā)發(fā)生能級(jí)的躍遷。由于紫外線的光照波長更短（能量更大）的光線照射下電子才會(huì)躍遷光的大部分能量主要集中在可見光及紅外區(qū)域，紫外陽光總能量的 5%左右，這就是為什么使用太陽光照

圖 1-3 三種典型的聯(lián)吡啶釕基染料1.5.2 卟啉類配合物發(fā)現(xiàn)卟啉類敏化染料能夠產(chǎn)生光電效應(yīng)的是 Bard 等人[35]，他們?cè)谀M太陽能光照的條件下利用卟啉做敏化染料發(fā)現(xiàn)其可以產(chǎn)生光電效應(yīng)，這激發(fā)了科研工作者對(duì)其研究的熱情，經(jīng)過不斷地研究合成出了很多敏化染料，他們都具有優(yōu)良的性能，其中一種含有多烯丙二酸基團(tuán)的鋅配位的卟啉類染料在 2007 年被 Campbell 等[36]合成，其電池效率達(dá)到 7.1%。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前6條

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相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

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本文編號(hào)：2756501