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TiO2光阳极优化及其吡咯并吡咯二酮和联噻唑类敏化剂性能研究

作　者: 郭福领
导　师: 花建丽
学　校: 华东理工大学
专　业: 应用化学
关键词: 染料敏化太阳能电池 光阳极 吡咯并吡咯二酮 联噻唑 CuInS2量子点
分类号: TM914.4
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


对于新一代的太阳能电池：染料敏化太阳能电池(DSSCs)由于其相对较低的制备成本,在世界范围内引起了广泛关注。在电池的组成部分中,Ti02光阳极和光敏染料作为电池捕获太阳光和完成电子传输的关键部分发挥着重要的作用。本文改善了TiO2光阳极的制备方法,并且对光阳极进行修饰；同时合成了一系列D-π-A-π-D型和D-A-π-A型染料,研究了染料结构对电池转换效率的影响,并对电池器件性能进行了优化。第一章：简要介绍了现阶段染料敏化太阳能各组成部分光阳极、光敏染料,电解质和对电极的研究进展,并且在此基础上,提出本课题的主要研究内容和意义。第二章：在以硫酸钛为前驱体制备浆料的过程中,加入葡萄糖,控制纳米颗粒的生长,得到了一维结构的纳米棒状二氧化钛,长约150nm,直径约为31.60nm。一维棒状结构的纳米晶二氧化钛具有较高的电子传输性能,提高了从激发态注入二氧化钛导带的电子传输到外电路的速率,降低了电子回传和复合的几率,使其电池的开路电压达到848mV,光电转换效率高达8.57%;在以钛酸异丙酯作为钛前驱体的浆料制备过程中,加入乙基纤维素抑制二氧化钛纳米颗粒尺寸的增长,成功得到了更小粒径的纳米二氧化钛颗粒(粒径从36.72nm减小到15.75nm),基于N719染料电池的短路电流从14.61增加到18.05mA/cm2,光电转换效率从7.86%提高到9.59%,提高了22%。第三章：为了丰富吡咯并吡咯二酮(DPP)类染料在染料敏化太阳能电池中的应用研究,设计合成了两个以三苯胺和N,N-二(4-甲氧基苯基)苯胺为给体,DPP单元为共轭桥,羧酸基团作为电子受体的D-π-A-π-D型纯有机染料DPP-I和DPP-Ⅱ.分别测试了两种染料的光物理和电化学性能。电化学测定的数据表明,给体的改变能够有效调节染料的HOMO和LUMO能级,调节染料的电子注入和染料再生的驱动力。基于染料DPP-Ⅰ的染料敏化太阳能电池表现更好的光伏性能：最高单色光入射光电流转换效率(IPCE)达到了80.6%,总的转换效率为2.68%。而在相同的条件下,染料DPP-Ⅱ的电池效率仅为0.51%。在以共吸附剂CDCA优化后,DPP-Ⅱ的效率提高到了1.37%。第四章：为了降低二氧化钛光阳极中电子回传和复合的几率,采用连续离子层吸收和反应法(SILAR)将CuInS2量子点层沉积在二氧化钛薄膜表面,修饰光阳极。然后将两个联噻唑为π-共轭桥的染料(BT-C1和BT-C2)敏化到含有CuInS2量子点的Ti02膜上形成染料/CuInS2/TiO2型光阳极。实验结果表明：CuInS2能垒层不仅可以有效地改善电池的开路电压(Voc),而且能略微提高短路光电流(Jsc)。而传统ZnO能垒层在提高开路电压的同时,却明显减少Jsc。交流阻抗谱(EIS)测试进一步证实了CuInS2在光阳极表面形成了抑制注入电子和电解质中离子复合的能垒层,提高电池的开路电压。在AM1.5(100mW cm-2)光强条件下,基于BT-C1和BT-C2敏化的光阳极在以CuInS2,为能垒层的电池中开路电压增加了22和27mV,电池总的转换效率达到7.20%和6.74%。第五章：设计合成了三种分别以咔唑,三苯胺和吲哚啉为电子给体的联噻唑D-A-π-A型有机染料(BT-T1-T3),研究了给体对染料敏化电池光伏性能的影响,紫外-可见吸收光谱表明,以吲哚啉为给体的染料BT-T3吸收光谱明显红移,其吸收的截止波长扩展到近700nm。同时BT-T3具有最宽的IPCE谱图响应范围,并且在580-650nm范围内保持高于BT-T1和BT-T2的IPCE谱图10-15%的数值。电化学测量数据表明,电子给体对染料分子的HOMO和LUMO能级具有影响。在AM1.5(100mWcm-2)光强条件下,基于吲哚啉为给体的BT-T3染料电池得到了最高转换效率7.86%(短路电流为15.26mA/cm2,开路电压为747mV,填充因子为0.69)。第六章：噻吩作为π共轭桥链引入到染料敏化剂中,能够拓展染料的吸收光谱,提高染料的摩尔消光系数。针对三苯胺和吲哚啉为给体的染料BT-T2和BT-T3,在给体和联噻唑之间引入噻吩单元合成了染料TBT-T2和TBT-T3。在三苯胺为给体的染料中,引入噻吩后,染料的最大吸收波长和吸收截止波长都出现红移,染料摩尔消光系数提高。TBT-T2染料敏化电池的效率从7.12%提高到7.51%;有趣的是在以吲哚啉为给体的染料BT-T3中引入噻吩,染料的吸收光谱蓝移,染料分子内的电荷转移受阻,激发态染料的电荷分离效率降低,造成染料TBT-T3敏化电池的短路电流明显降低,从14.77mA/cm2降低到4.52mA/cm2,电池的效率也从7.86%减少到1.93%。

全文目录


摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-12
第1章 前言  12-50
  1.1 染料敏化太阳能的研究背景  12-14
  1.2 染料敏化太阳能电池的工作原理  14-16
    1.2.1 染料敏化太阳能电池的电池结构  14-15
    1.2.2 电池的工作机理  15-16
  1.3 染料敏化太阳能电池测试中几个重要的参数  16-18
    1.3.1 标准光源AM 1.5  16-17
    1.3.2 单色光转化效率(IPCE)  17
    1.3.3 Ⅰ-Ⅴ曲线  17-18
  1.4. 染料敏化剂  18-37
    1.4.1 钌配合物染料  19-22
    1.4.2 其它金属配合物染料敏化剂  22-27
    1.4.3 纯有机染料  27-37
      1.4.3.1 D-π-A型染料  27-33
      1.4.3.2 D-A-π-A型染料  33-35
      1.4.3.3 其他结构的染料敏化剂  35-37
  1.5 电解质组分  37-39
    1.5.1 液态电解质  37-38
    1.5.2 离子液体和准固态电解质  38
    1.5.3 全固态电解质  38-39
  1.6 对电极材料  39
  1.7 纳米晶无机半导体光阳极薄膜  39-48
    1.7.1 纳米晶二氧化钛半导体研究进展  40-47
    1.7.2 其他一些光阳极材料  47-48
  1.8 课题提出和主要研究内容  48-50
第2章 TiO_2纳米晶半导体电极的制备与表征  50-68
  2.1 前言  50-51
  2.2 实验部分  51-53
    2.2.1 实验原料和设备  51-52
    2.2.2 实验过程  52-53
  2.3 光阳极薄膜制备和电池组装  53-54
    2.3.1 FTO导电玻璃的前处理  53
    2.3.2 对电极的制备  53
    2.3.3 二氧化钛光阳极的制备  53
    2.3.4 电解质组分  53
    2.3.5 电池的组装  53-54
  2.4 结果和讨论  54-66
    2.4.1 球状纳米颗粒的合成和结构特征以及光伏性能表征  54-61
    2.4.2 TiO_2纳米棒的合成和结构特性以及光伏性能表征  61-66
    2.4.3 两种不同类型的浆料之间比较  66
  2.5 本章小结  66-68
第3章 基于D-π-A-π-D吡咯并吡咯二酮敏化剂的合成和性能研究  68-82
  3.0 前言  68
  3.1 目标分子  68-69
  3.2 实验部分  69-73
    3.2.1 测试仪器及试剂  69
    3.2.2 合成步骤  69-73
  3.4 结果与讨论  73-80
    3.4.1 合成讨论  73-75
    3.4.2 敏化染料的光物理性能  75
    3.4.3 敏化染料的电化学性能  75-77
    3.4.4 敏化染料电池的光电性能  77-80
  3.5 本章小结  80-82
第4章 CuInS_2量子点修饰的光阳极在染料敏化电池中的应用  82-95
  4.1 前言  82-84
  4.2 目标染料的分子结构  84
  4.3 染料和量子点的合成  84-85
    4.3.1 染料BT-C1和BT-C2的合成  84-85
    4.3.2 量子点的合成  85
  4.4 染料的紫外-可见光吸收和电化学性能  85-87
  4.5 CuInS_2量子点的表征  87-89
  4.6 CuInS_2修饰的光阳极染料敏化电池的光电性能  89-94
  4.7 本章小结  94-95
第5章 三苯胺、咔唑及吲哚啉给体的联噻唑染料敏化剂的性能研究  95-116
  5.1 前言  95-97
  5.2 目标化合物  97
  5.3 实验部分  97-102
    5.3.1 测试仪器及试剂  97-98
    5.3.2 合成步骤  98-102
  5.4 结果和讨论  102-115
    5.4.1 合成讨论  102-104
    5.4.2 染料的光物理性能  104-106
    5.4.3 电化学性能  106-107
    5.4.4 染料器件的光电性能测试  107-114
    5.4.5 电池的交流阻抗  114-115
  5.9 本章小结  115-116
第6章 噻吩基团对联噻唑类染料敏化电池光电转换效率的影响  116-127
  6.1 前言  116
  6.2 目标化合物  116-117
  6.3 合成  117-118
  6.4 讨论  118-126
    6.4.1 合成讨论  118
    6.4.2 染料的光物理性能  118-120
    6.4.3 染料的电化学性能  120-121
    6.4.4 染料的光伏性能测试  121-123
    6.4.5 噻吩的引入对于不同给体染料影响不同的原因  123-126
  6.6 本章小结  126-127
第7章 结论  127-129
参考文献  129-143
附录  143-145
附图  145-148
致谢  148

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术（直接发电） > 光电池 > 太阳能电池
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