共敏化策略在卟啉染料敏化太阳能电池中的应用研究——分子设计与优化

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染料敏化太阳能电池(DSSCs)作为太阳能利用的一种形式,具有光电转化效率高、成本低廉、制作工艺简单等优点,引起了广泛关注。卟啉作为一类性能优异的光敏染料,其潜力越来越被研究者们所重视和发掘。然而,大多数D-π-A结构的卟啉染料都存在着固有的缺陷:即在350-410 nm和500-600 nm的吸收较弱。这一缺陷影响了敏化器件的最终效率,同时,也制约了全光谱吸收的敏化电池器件的开发。本论文创新性地设计了一系列新型纯有机染料,并研究了共敏化器件的光电性能,最终获得了10.45%和10.75%的光电转换效率。本文提出的卟啉共敏化剂设计策略为今后染料结构的设计和优化提供了理论依据,丰富了高效全光谱敏化电池器件的开发手段。  第一章系统介绍了染料敏化太阳能电池的结构、工作原理、研究进展和本文研究思路。  第二章设计合成了一系列具有辅助受体的新型纯有机染料XS1~XS3。通过溴化、Suzuki偶联反应、Sonagashira偶联反应和水解反应等得到了以吩噻嗪作为供电子单元,DPP作为辅助受体,对炔基噻吩氰基乙酸作为拉电子基团的染料分子,产率较高。  第三章对比研究了三种新型纯有机染料的吸收光谱以及光电性质,相较于XS1,染料XS2和XS3引入了额外的炔键,改善了染料分子的摩尔消光系数,同时,电子受体端引入的长烷基链有效抑制了染料聚集和电子回传,提升了电子寿命。在标准AM1.5G太阳光下,基于XS3的敏化太阳能电池表现出了最佳8.02%的光电转换效率。此外,还研究了染料敏化太阳能电池的稳定性,测试了染料XS1~XS3吸附在TiO2纳米晶薄膜上的光稳定性和封装器件的长期稳定性,测试表明器件稳定性较好。  第四章对比研究了三种新型纯有机染料作为卟啉染料共敏化剂的效果,达成了通过光谱互补的方法实现提升染料敏化太阳能电池光电转换效率的目的。经过共敏化后,卟啉染料XW3和XW4位于350-410 nm和500-600 nm的吸收缺陷几乎被完美地弥补。效率最高的XS3/XW4敏化器件,获得了10.75%的光电转换效率。进一步将共敏化体系XS3/XW3和XS3/XW4应用于离子液体凝胶电解质中,基于该电解质的XS3/XW4电池,在AM1.5G标准光源下表现出8.12%的光电转换效率。  第五章总结了全文工作,并展望了卟啉染料敏化太阳能电池的研究前景和发展方向,以及共敏化策略在开发高效全光谱敏化电池器件中的应用。
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