新型染料分子的設計及其在p-型染料敏化太陽能電池和檢測中的應用.pdf

1、自從1991年O’Regan B.和Gr?tzel M.在染料敏化太陽能電池(DSSCs)方面取得重大突破以來，DSSCs以其相對低的成本和較高的光電轉換效率等優(yōu)勢成為了太陽能領域的研究熱點。DSSCs包括光陽極被敏化的n-型染料敏化太陽能電池(n-DSSCs)和光陰極被敏化的p-型染料敏化太陽能電池(p-DSSCs)。目前研究得最多的主要是n-DSSCs，p-DSSCs的研究則相對較少。p-DSSCs可與 n-DSSCs串聯(lián)起來形成

2、pn-疊層染料敏化太陽能電池(pn-DSSCs)，通過這種疊層電池結構設計可以拓寬染料敏化太陽能電池的光譜利用范圍，有望突破現(xiàn)有染料敏化太陽能電池的效率瓶頸，而 pn-DSSCs未來性能的提升主要依賴于 p-DSSCs的效率提高以與n-DSSCs相匹配，因此，研究p-DSSCs具有十分重要的意義。染料敏化劑在染料敏化太陽能電池中起到捕獲太陽光子的重要作用，通過合理設計染料分子，有助于提高電荷分離效率、減少電荷復合和提高光捕獲效率等。本論

3、文中我們設計合成了一系列新型的染料分子，研究了它們的光物理性質和電化學性質，并測試了 p-DSSCs器件的光伏性能；同時考慮到染料分子的分子內電荷轉移作用和二氰基乙烯基團的特點，巧妙的將 p-型染料分子應用于對氰根離子的檢測。主要的內容和結果如下：
　　1、設計并合成了四個基于三苯胺-二氰基乙烯基(T3、T4)和三苯胺-硫代巴比妥酸(T3H、T4H)的推拉型染料分子，并系統(tǒng)地研究了共軛橋單元個數(shù)和不同拉電子基團對它們的光物理性質和

4、光伏性能的影響。研究結果表明：增加給體三苯胺與錨基羧基之間的寡聚噻吩單元的個數(shù)可以提高染料分子的光捕獲能力；此外，引入1,3-二乙基-2-硫代巴比妥酸作為受體單元能增強染料分子的吸收強度并且能拓寬染料分子的吸收光譜至近紅外區(qū)域，從而使電池的光電轉換效率得到了提高。在模擬太陽光照射下(AM1.5 G,100 mW/cm2)，基于這四個染料制備的染料敏化光伏器件的效率分別為0.180％(T3)、0.207%(T4)、0.226%(T3H)、

5、0.317%(T4H)。其中，T4H的光電轉換效率最高，短路電流達到了6.735 mA/cm2，與目前報道的p-DSSCs的最高短路電流7.57 mA/cm2相接近。
　　2、在前面工作的基礎上，設計并合成了兩個基于三苯胺-二氰基乙烯基的推拉型染料分子T5和T6，分別以五個噻吩和六個噻吩作為共軛橋，進一步增長給體單元和作為半導體的氧化鎳(NiO)之間的距離。研究了寡聚噻吩長度對它們的光物理性質和光伏性能的影響，并與前面工作中合成的

6、T3、T4作比較。結果表明：四個染料分子的能量轉換效率大小關系為：0.184%(T3)<0.208%(T4)>0.186%(T5)>0.178%(T6)，可以看出在給受體單元一致的情況下，共軛橋長度為四個噻吩單元的T4的光電轉換效率是最高的，而進一步增加共軛橋長度會使效率減小。導致這一結果的原因可能是噻吩單元的增加可以有效的阻止染料與半導體(NiO)表面的電荷復合，但同時也會減小寡聚噻吩共軛橋的電導，這不利于空穴從染料分子注入NiO的價

7、帶。因此，在這一類染料分子中，選擇一個最合適的共軛橋長度對于平衡電荷復合與電荷遷移效率是很有必要的。
　　3、P1是p-DSSCs中的第一個基于三苯胺的推拉型染料分子，其經(jīng)典的D-π-A構型使分子的熒光發(fā)射位于近紅外區(qū)(NIR)?？紤]到羧基連接在給電子單元三苯胺上，而羧基又具有吸電子效應，因此我們從P1的結構出發(fā)，合成了不帶羧基的P2作為氰根離子的探針分子。P2中的受體部分為二氰基乙烯基，氰根離子可通過親核加成與之反應，原來的受體

8、結構被破壞并影響整個分子的共軛，從而影響到分子的光譜性質，由此實現(xiàn)對氰根離子的響應識別。利用紫外，熒光，核磁氫譜、碳譜滴定和理論計算等研究了近紅外分子探針P2的傳感性質。研究結果表明：P2對氰根離子同時具有熒光淬滅響應和比色響應，檢測限為0.46 nM。因此，結果表明探針分子P2對氰根離子具有很高的靈敏性和選擇性。
　　4、根據(jù)染料敏化太陽能電池中器件制備的方式，我們試著將染料分子P1吸附在NiO或TiO2薄膜上制成單分子層探針檢