“Y”型烷基链染料的分子修饰及其光伏器件的界面电子传输性能研究
太阳能电池能够直接将太阳能转换为电能，是一种开发和利用太阳能的有效手段。太阳能电池种类众多，染料敏化太阳能电池(DSSCs)作为新型光伏电池之一，有巨大的应用前景，染料敏化剂作为DSSCs器件的重要组成部分，对光电转换效率的影响举足轻重。本论文为进一步探究光敏染料的构效关系和光伏器件的界面电子传输问题，设计合成了7个“Y”型烷基链染料，“Y”型烷基链好比是一道阻止注入TiO2的光电子与氧化态染料以及电解质复合的“屏障”，目的是希望减少电荷复合和暗电流的产生，提高器件的光电转换效率。主要研究内容如下: (1)合成了以带“Y”型烷基链的三苯胺为供体、苯基噻吩为π-桥链，氰基乙酸为受体的D-π-A型纯有机染料YY-ThP，并以该染料为参照，在该染料π-桥链处苯环上的“3位”、“2位”与“26位”分别引入氟原子，合成3个含氟染料YY-ThP(3F)、YY-ThP(2F)与YY-ThP(26F);此外，将该染料π-桥链上的噻吩与苯环对调合成染料YY-PTh，将噻吩换为并二噻吩合成染料YY-TTP与YY-PTT。通过核磁共振氢谱(1H NMR)、核磁共振碳谱(13C NMR)、气相质谱(GC-MS)以及高分辨质谱(HR-MS)等测试方法对中间体及目标染料的分子结构进行表征和确认;通过紫外可见-吸收光谱(UV-vis)、循环伏安法(UV)、密度泛函理论(DFT)计算及组装成DSSCs器件后的电流-电压曲线（J-V）、单色光转换效率(IPCE)、电化学阻抗谱(EIS)等方法对染料的光物理、电化学性能、分子构型及器件光伏性能进行了测试与分析。 (2)探究了在π-桥链中引入氟原子对电子传输的影响。结果表明，与染料YY-ThP相比，π-桥链中引入氟原子并不能提高器件的有效电子传输，基于氟取代染料器件的光电转换效率都有所降低。虽然氟取代拓宽了染料对可见光响应范围，但在380-450nm之间的响应强度减小，此外引入氟原子由于极性效应与聚集效应的原因，使得注入TiO2薄膜中的有效电子减少，暗电流增加，短路电流减小，但是基于“3位”氟取代染料YY-ThP(3F)的DSSCs器件开路电压相比染料YY-ThP增加12.8mV，可能的原因为“3位”氟取代使得π-桥链二面角变小，整个染料的共轭程度增加。将含氟染料分别与YY-ThP等摩尔比共敏，发现三组共敏染料在380-450nm处的可见光吸收强度增加，其中共敏染料YY-ThP+YYThP(3F)相比单一染料YY-ThP开路电压与短路电流分别增加20.1mV与1.02mA cm-2，这主要是由于减小了因聚集产生的暗电流，基于该共敏染料DSSCs器件获得最高的光电转换效率5.46％。 (3)探究了π-桥链基团对调以后对电子传输的影响。结果表明，将π-桥链噻吩与苯环位置调换之后，光吸收范围明显拓宽，吸收强度也增大，但是光电转换效率偏低，原因为染料YY-PTh分子构型呈直线型，π-桥链部分二面角偏大，而染料YY-ThP呈月牙型，π-桥链部分二面角偏小，当染料吸附于TiO2薄膜时，染料YY-PTh由于聚集效应，暗电流较大;染料YY-ThP较大的立体效应抑制了分子间的团聚和电子复合，且其构型能最大化整个染料分子的共轭程度。当染料YY-ThP与YY-PTh等摩尔比共敏时，由于分子构型的原因，共敏器件的开路电压与电路电流密度进一步提高，也获得最佳的光电转换效率5.28％。 本论文主要设计合成了“Y”型烷基链染料分子，通过在π-桥链中引入氟原子以及调换π-桥链基团，研究了光敏染料构效关系和器件电子传输问题，并通过共敏，得到了性能更佳的电池器件，对染料敏化剂分子设计及π-桥链修饰有一定的借鉴意义。
染料敏化太阳能电池;Y型烷基链染料;分子修饰;构效关系;界面电子传输性能
西安工业大学
硕士
材料物理与化学
陈卫星;朱生勃
2021
中文
TM914.4
2021-09-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）