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关键词： ZnO/SnO2核-壳结构   太阳能电池   转化效率   电子复合   电子寿命  

摘要： 文章采用水热/溶剂热法分别合成一维ZnO纳米线阵列及均匀SnO2纳米颗粒,再通过旋涂法合成了ZnO纳米线/SnO2纳米颗粒核壳复合纳米结构。在染料敏化太阳能电池(DSSCs)中,与单一结构的ZnO纳米阵列或SnO2纳米颗粒光阳极相比,所合成的新型复合纳米结构的光阳极能有效地提高光电性能,短路电流、开路电压及转化效率分别为2.93mA/cm2、0.64V、0.74%。入射光光电转换效率(IPCE)、强度调制光电流谱(IMPS)及强度调制光电压谱(IMVS)的测试结果表明:SnO2纳米颗粒包裹层能增加比表面积,有利于染料的吸附;能有效地抑制ZnO与电解液界面的电子复合,提高了电子寿命。

关键词： 染料敏化太阳能电池   单三苯胺   双三苯胺   染料   光电转换效率  

摘要： 染料敏化太阳能电池(DSSCs)由于具备易于制作、结构简单、成本低、污染小、效率高等优点,自问世以来,受到了人们的广泛关注。光敏剂作为DSSCs的核心组成部分,肩负着吸收光能,并且将光能转换成电能的重要任务。因此,新型光敏染料的开发一直是该领域的研究热点。近几年来,D-π-A结构纯有机光敏染料已被广泛报道,而对D-D-π-A结构光敏染料的研究却不系统,尤其是以噻吩的2-位和5-位分别带有两个给电子基团的光敏染料尚未见报道。本文设计合成了四种光敏染料S-TPA、B-TPA、LS-TPA和LB-TPA、这些染料具有如下结构特征：以连接烷基链和不连接烷基链的单三苯胺单元或者双三苯胺单元作为电子给体,以噻吩的2-位和3-位之间的C=C双键作为传递电子的π桥,以氰基丙烯酸作为电子受体。对光敏染料S-TPA、B-TPA、LS-TPA和LB-TPA进行了合成和结构表征,并且对它们的光物理性质和电化学性质进行了测试。测试结果表明,这四种光敏染料在紫外可见光区有较好的吸收范围,它们的HOMO能级和LUMO能级都符合DSSCs的应用要求。其中,光敏染料S-TPA和LS-TPA所敏化DSSCs的光电转换效率分别为2.83%(Jsc=8.96 mA·cm-2,Voc=0.59 V,ff=0.54)和3.77%(Jsc=9.78 mA·cm-2,Voc=0.56 V,ff=0.69)；光敏染料B-TPA和LB-TPA所敏化的DSSCs具有6.06%(Jsc=14.21 mA·cm-2, Voc=0.62 V,ff=0.69)和3.06%(Jsc=8.06 mA·cm-2,Voc=0.56 V,ff=0.67)的光电转换效率。结果表明基于这种特殊π桥形式所构建的D-D-π-A结构可以应用在光电分子的设计上,因为带有两个电子给体基团的光敏染料的分子带隙降低,增大了它所敏化DSSCs结构光敏染料所敏化的D-D-π-A具有DSSCs较高的光电转换效率,因为光敏染料分子基团的大小影响它在ZiO2表面的有效吸附。

关键词： 染料敏化太阳能电池   ZnO光阳极   Al3+掺杂   复合结构光阳极  

摘要： 染料敏化太阳能电池是一种新型的光电转换太阳能电池,它制作工艺简单、性能稳定和成本低,具有很好的市场应用前景。纳米晶半导体光阳极作为DSSC的重要组成部分之一,主要起吸附染料和传输电子的作用,对DSSC的光电性能具有重要的影响。本文对DSSC的ZnO光电极进行了研究。研究内容包括：（1）采用化学浴沉积法在导电玻璃（FTO）上制备ZnO纳米棒并将其应用于DSSC中,主要研究ZnO纳米棒的生长条件及Al3+掺杂改性种子层对所制备的ZnO纳米棒和电池性能的影响； （2）采用多次重复浸渍种子层工艺,制备出ZnO纳米棒和ZnO纳米粒复合杂化结构的光阳极,并应用于DSSC中。（3）采用沉淀法制备A13+掺杂ZnO纳米粒,采用超声辅助沉淀法制备了A13+掺杂ZnO纳米片,采用醇热回流法制备Al3+掺杂ZnO纳米球并应用于DSSC中。采用SEM对ZnO种子层、ZnO纳米棒以及ZnO粉体的形貌形貌进行了表征,测试了不同光阳极薄膜组装成DSSC的Ⅰ-Ⅴ曲线和EIS阻抗谱。主要研究内容和结果如下：（1）以二水合醋酸锌为锌源,以乙二醇甲醚和乙醇胺作为溶剂,在FTO上用提拉浸渍法制备ZnO种子层；然后通过化学浴沉积法在六水合硝酸锌和六次甲基四胺水溶液中生长纳米棒,并通过在种子层中掺入不同比例的A13I,制备ZnO纳米棒。当种子层浓度为0.1 M且掺杂9at% Al3+,导电玻璃长边垂直放置于生长液中,生长液浓度为0.04 M时,制备的ZnO纳米棒长度为5μm, DSSC的光电性能最好,开路电压0.40 V,短路电流5.64 mA/cm2,填充因子0.47,光电转换效率为1.07%。（2）通过多次重复浸渍种子层工艺,制备出ZnO纳米棒和ZnO纳米粒的复合结构光阳极。当ZnO种子层掺杂9at% Al3+,且经过9次浸渍和生长之后,制备出了长度为15.2 μm的复合结构ZnO纳米棒和ZnO纳米粒,其制备的DSSC的光电转换效率达到2.36%,开路电压0.66 V,短路电流5.78 mA/cm2,填充因子0.62。（3）通过沉淀法制备了Al3+掺杂ZnO纳米粒,采用超声辅助沉淀法制备了A13+掺杂ZnO纳米片,通过醇热回流法制备了A13+掺杂ZnO纳米球。在相同的实验条件下,分别将三种形貌的纳米粉体制备成光阳极薄膜并组装成DSSC。沉淀法制备的6at% Al3+掺杂ZnO纳米颗粒聚集体所制备的DSSC的光电转换效率达到0.94%；超声法制备的6at% Al3+掺杂ZnO纳米片所制备的DSSC的光电转换效率达到0.73%;醇热法制备的6% atAl3+掺杂ZnO纳米球所制备的DSSC的光电转换效率只有1.54%,较没有掺杂下降61.40%。

关键词： 染料敏化太阳能电池   卟啉锌染料敏化剂   偶氮桥连结构   水杨酸   锚定基团   光伏性能  

摘要： 不断增长的全球能源消耗再加上严重的环境问题,正在敦促人类去寻求与开发能够推动整个社会可持续发展的清洁可再生能源。相比于传统的化石能源,太阳能是一种清洁环保、取之不尽、用之不竭的可再生能源。直接将太阳能转化为电能是对太阳能开发与利用最为可行和最具潜力的技术途径。染料敏化太阳能电池作为新一代的光伏器件,具备制造成本低、工艺过程简单和环境友好等优势,已引起了广泛的关注。光敏化剂是其最为核心的组成部分,它吸收光能并将电子注入到半导体的导带之中,引发电子转移反应。目前,此类电池中光电转换效率最高的光敏化剂是联吡啶钌配合物与卟啉锌染料。卟啉是一类极具开发潜力的仿生敏化剂,由于其在400-450 nm处有着强烈的Soret带吸收,在550-600 nm处有着中等强度的Q带吸收,同时其刚性的分子结构上的众多反应位点可用于染料分子的设计与合成。为了理解卟啉染料的优良性能与结构的关系,我们设计制备了四个系列的卟啉锌染料,对他们的性能及其光伏器件进行了研究:第一章:关于可再生能源、太阳能、太阳能电池、染料敏化太阳能电池以及光敏化剂的发展概况。第二章:对称型卟啉锌染料分子的设计与合成及其光伏性能研究。卟啉锌染料分子设计合成,通过一个简单的偶联反应将水杨酸与偶氮引入卟啉结构当中,分别作为锚定基团与π-共轭桥连结构。通过光物理、光伏以及电化学方法对具有新结构的染料分子进行了相关性能的测试与研究。研究结果表明,新型染料分子的光电转换性能相比于其他对称染料分子得到了一定的提升。偶氮基团可以作为桥连结构应用在卟啉锌染料敏化剂当中,同时在水杨酸结构与二氧化钛纳米粒子之间的三齿锚定模式可以提高界面间电子注入效率。第三章:非对称型偶氮卟啉锌染料分子的设计与合成及其光伏性能研究。我们设计与合成了一系列偶氮卟啉锌染料,其中氮氮双键所构成的偶氮基团作为π-共轭桥连结构被构筑在卟啉染料的meso位。通过对染料分子的光学性能、光电转换性能以及密度泛函理论计算研究,来探讨偶氮作为π-共轭桥连结构的对其光伏器件性能的影响。第四章:卟啉锌染料中三齿锚定基团对光伏器件性能的影响。以乙炔基水杨酸作为电子传输与锚定基团的卟啉锌染料分子被设计与合成,并对这些敏化剂的光学性能、光伏性能以及电化学性能进行了研究与探讨。研究结果发现,水杨酸作三齿锚定基团的染料分子,其光电转换效率优于羧酸作二齿锚定基团的染料分子。密度泛函理论计算与电化学阻抗谱的研究,证明了水杨酸的三齿锚定模式在染料分子与二氧化钛表面上,对于界面间电子注入与收集的量子效率有提升作用。第五章:端基修饰对卟啉锌染料分子性能的影响。通过对卟啉锌染料meso位苯环的取代基修饰来改善分子结构,我们设计与合成了两种以偶氮卟啉锌作为基本结构的新型染料,将两个叔丁基或者两个辛氧基基团引入到meso位苯环的间位或者邻位。将染料应用于敏化电池中,对电池光伏性能以及界面电荷转移性能的研究,来探讨染料分子设计合成及其结构与性能之间的关系。

关键词： 多层次孔结构   分子印迹膜   SiO2微球   染料木黄酮   分离纯化  

摘要： 中药材中的天然药物成分非常复杂,其含有的活性成分的分离纯化是一项艰巨而细致的工作,葛根是一种常见的中药材,其中的活性成分染料木黄酮因其存在一些结构相似的成分并且含量很低,所以如何有效的提取葛根中的染料木黄酮成为一个研究热点。本文将膜分离技术与分子印迹技术相耦合,制备了对染料木黄酮具有特异性分离和识别作用的新型多层次孔结构柔韧自支撑分子印迹膜(以下简称为MIM),实现了葛根中染料木黄酮的分离纯化。1.采用超声波辅助法提取葛根中五种结构相似的异黄酮类化合物,并且通过响应面中的多目标优化法对其工艺进行优化,所得的最优化提取条件为:乙醇浓度为72.5%,提取温度为58℃,提取时间为49min,超声功率360W。通过进行验证性实验来检验模型的可靠性,得到的结果与软件预测值相比较,拟合度分别为:102.28%,99.81%,101.61%,99.10%,102.59%,表明实际的提取率与模型方程对应的预测值有良好的一致性。2.通过溶胶-凝胶法制备了单分散Si02微球,研究了包括氨水、无水乙醇、去离子水、正硅酸乙酯(TEOS)在内的几种试剂的用量以及反应温度对反应结果的影响。3.以染料木黄酮为模板分子,甲基丙烯酸(MAA)和1-乙烯基咪唑(VMZ)为功能单体,离子液体[Bmin]Br和乙醇为溶剂,Si02微球为大孔致孔剂,乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDGMA)为交联剂,偶氮二异丁腈(ABIN)为引发剂制备了MIM,并研究了不同粒径的Si02微球和不同质量分数的Si02微球乙醇溶液对制备的MIM的吸附量的影响。通过动力学吸附实验研究了三种不同粒径对制备的MIM吸附量的影响,通过等温吸附实验考察MIM的结合性能,并采用一级动力学、二级动力学、Langmuir和Freundlich方程的曲线拟合研究了 MIM的吸附机理,同时进行了静态平衡吸附试验和吸附过程的热力学分析与计算,最后将MIM与固相萃取结合,运用到葛根提取液中染料木黄酮的分离和纯化,结果表明MIM对染料木黄酮的分离、纯化有着很好的效果。

关键词： TiO2纳米颗粒的一维组装   卤化铅甲胺钙钛矿薄膜   环境湿度   结晶生长   太阳电池  

摘要： 在太阳电池中,光吸收层是非常重要的功能层。光吸收层材料及其微纳结构直接影响到电池的光捕获能力和光生载流子的输运性质,最终决定着电池的能量转换效率。随着纳米科技的发展,不同微纳结构造成器件性能的变化得到了广泛关注。本文以染料敏化太阳电池及其衍生出来的钙钛矿太阳电池中的光吸收层为研究对象,通过优化材料的形貌,调控光吸收层的微纳结构,研究材料微纳结构与其光电转换物理性质之间的关系,探索出提升太阳电池器件性能的新途径。作为一种有机、无机复合的光电化学薄膜光伏器件,染料敏化太阳电池(Dye Sensitized Solar Cells,简称DSSCs)一直是光伏领域的研究热点之一。与传统半导体薄膜电池相比,DSSCs具有原材料成本低、制作工艺简单、能耗低、环境友好等优点,但相对较低的效率是其实现产业化的瓶颈。在DSSC中,起光吸收作用的工作电极由透明导电基底和经染料敏化的半导体多孔薄膜(通常为Ti02)构成,其工作性能由染料吸附量和电子收集能力决定。为了同时保持纳米颗粒的高比表面积特性和一维结构的电子定向传输特性,我们利用一种改进的静电纺丝方法将Ti02纳米颗粒组装成一维结构,颗粒在静电力的作用下形成一维排列。这种一维组装结构将通常采用的颗粒完全无序堆积的状态改变为有序堆积的状态,有利于延长电子寿命和增强其定向扩散能力,同时保留了纳米颗粒的高比表面积特性,漫反射光谱测试表明该结构还具备一定的光散射能力,经过优化的电池性能因此提升了约15%。钙钛矿太阳电池(Perovskite Solar Cells,简称PSCs)是在DSSCs基础上衍生出来的一种光电转换器件,它保留了DSSCs成本低、易制备的优点,电池效率却有大幅度的提升,近期迅速成为研究领域的热点。这种电池所用到的有机无机杂化钙钛矿材料对湿度非常敏感,通常在高湿度环境下制备的PSC效率都较低。为了分析其中的原因,我们通过改变制备环境中的湿度调控了钙钛矿层不同的形貌结构。实验结果显示,随着相对湿度增加,钙钛矿薄膜更容易呈现出岛状形貌结构,覆盖率会明显降低,导致电池的光透过率上升和性能的下降。进一步的分析表明,在钙钛矿薄膜结晶生长过程中,湿度会在其成核阶段和生长阶段造成不同的影响,这可能是由前驱液过饱和度变化导致的。高湿度下薄膜的成核密度较低,不利于薄膜的平整性和覆盖率,但在后期晶体长大时,高湿度导致结晶过程变慢却有助于提高薄膜结晶性和减少晶体缺陷。因此,快速成核后适度的晶体生长速率可能更有利于生成高质量的钙钛矿薄膜。可以看出,PSCs光吸收层微纳结构调控表现出来的性质与薄膜太阳电池更为相似。此研究工作为高质量钙钛矿薄膜的制备提供了一个可行的思路,对加深理解PSCs的制备工艺及工作机理也有一定的促进作用。

关键词： 纳米材料   纳米线阵列   核壳   复合结构   染料敏化太阳能电池  

摘要： 随着环境问题和能源危机的急剧加重,人们对清洁能源的关注越来越多。太阳能是一种储量丰富的清洁能源,合理的开发和利用太阳能将会大大地改善人们的生活。目前使用最多的太阳能电池是硅基太阳能电池。虽然这种电池具有较高的光电转换效率,但是其制备工艺复杂、价格昂贵。作为太阳能电池的一种,染料敏化太阳能电池具有廉价、稳定、高效、容易制作等优点,因此具有非常广阔的发展前景。为了能够进一步地提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率,世界各地的科学家们都做出了很大的努力。染料敏化太阳能电池的光阳极结构对其光电转换效率有很大影响。纳米技术的发展为纳米材料的结构设计打开了一扇大门。有目的改变纳米材料的结构是一种提高染料敏化太阳能电池光电转换效率的重要手段。光阳极结构的比表面积、电子传输性能以及光散射性能等因素与电池的光电转换效率有着很大的关系。合理的设计电极结构,可以使电池具有优秀的光电转换性能。本论文,旨在用有效、简单的方法,设计并开发出具有不同特点的电极结构来提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率。本文实现了在FTO导电基底上超长ZnO纳米线阵列、核壳结构以及基于ZnO/TiO2材料为基础的复合结构电极的设计与制备,并探讨了不同光阳极结构的可控合成、相关性质及其对电池性能影响,充分展示了光阳极结构设计的重要性,为合成新型电极结构提供了实验和理论依据。研究内容主要包括以下几个方面：(1)一维超长ZnO纳米线的制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用利用简单的水热方法,实现了在FTO导电基底上合成大面积超长ZnO纳米线阵列。探究了氨水浓度、锌盐种类以及更换反应溶液等因素对纳米线阵列的形貌影响。通过改变实验条件,得到了不同长度的纳米线阵列。值得强调的是,实验中仅通过更新一次反应溶液,就得到了24μm的ZnO纳米线阵列。研究了不同长度ZnO纳米线阵列作为光阳极,染料敏化太阳能电池的光电转换性能。实验结果表明,纳米线的长度对染料敏化太阳能电池光电转换效率有着非常重要的影响。随着纳米线阵列长度的增加,电池的光电转换效率逐步提升。(2) ZnO@TiO2核壳结构纳米线阵列的制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用基于上面ZnO纳米线阵列的研究,以不同长度ZnO纳米线为前驱体,以溶解在乙醇溶液中的钛酸丁酯为钛源,采取简单的“快速浸渍”办法,成功在FTO导电基底上制备ZnO@TiO2核壳结构。有效的解决了ZnO在酸性染料中不稳定的问题。将不同长度ZnO@TiO2核壳结构作为光阳极,应用到染料敏化太阳能电池上。结果表明,TiO2壳的包覆和纳米线的长度对提高电池的光电转换效率有非常重要的作用。特别是当阵列的长度达到14μm时,ZnO@TiO2核壳结构最高光电转换效率可达3.80%。这个值是相同长度ZnO纳米线阵列的2.6倍。(3) ZnO/TiO2复合双层结构薄膜的制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用设计了取向TiO2纳米棒阵列与交错排布的ZnO纳米短棒的复合双层结构薄膜。通过简单的水热反应成功制备了TiO2纳米棒阵列。然后通过热蒸发的方法,在TiO2纳米棒阵列上层形成ZnO纳米短棒薄膜层,实现了ZnO/TiO2复合薄膜的制备。非常有趣的是,在热蒸发的过程中,相邻TiO2纳米棒之间的空间也被很好的利用,在TiO2纳米棒间嵌入了大量ZnO纳米颗粒。实验中以ZnO/TiO2复合双层结构薄膜为光阳极,组装成染料敏化太阳能电池。测试结果表明,TiO2纳米棒阵列与ZnO纳米短棒复合结构的光电转换效率可以达到4.36%。这个值明显的高于单纯ZnO纳米短棒薄膜的光电转换效率(3.10%)。复合结构光电转换效率提升归结于TiO2纳米棒与ZnO纳米短棒的协同作用。在复合结构中,顶层的ZnO纳米短棒提供了大的比表面积来吸附染料。底层的TiO2纳米棒不但作为直接的电子传输通道使得电子能快速转移,而且还具有阻挡层的作用,阻碍了电解液与导电玻璃的直接接触,减少了电子复合。(4) ZnO/ZnO复合结构薄膜的制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用在ZnO/TiO2复合双层结构设计的基础上,对电极材料进行进一步改良,设计了ZnO/ZnO复合双层结构薄膜。ZnO/ZnO复合结构包括两部分：取向的ZnO纳米线阵列作为底层,以交错排布的ZnO纳米短棒为顶层。复合结构兼具大的比表面积,快速的电子转移能力,卓越的光散射性能等优点,非常适合应用为染料敏化太阳能电池的光阳极材料。以这种复合结构作为染料敏化太阳能电池的光阳极,经过测试,复合结构确实表现出出色的光电转换性能,其光电转换效率可以达到5.16%。这个值明显地高于同样长度的ZnO纳米线阵列(1.45%)和交错排布的ZnO纳米短棒薄膜(3.31%)的光电转换效率。实验结果充分表明,复合结构电极的设计在提高染料敏化太阳能电池光电转换效率上具有一定的优越性。(5)TiO2纳米棒

关键词： 4,4’-二甲基-2,2’-联吡啶   配合物   合成   理论研究  

摘要： 当今世界,太阳能作为一种清洁能源受到广泛的关注。本文以4,4'-二甲基-2,2'-联吡啶为基本单元,分别以咪唑衍生物和咔唑衍生物为修饰研究其光电性能的变化,期望获得高光电转换效率的太阳能电池染料敏化剂。本文合成了系列联吡啶衍生物L1、L2、L3。L1:4-(4,5-二吡啶-1H-咪唑)-4'-甲基-2,2'-联吡啶,L2：3-(2-(4'-甲基-(2,2')-联吡啶-4-乙烯基)-9-对苯甲基-咔唑,L3：3-(2-(4'-甲基-(2,2')-联吡啶-4-乙烯基)-9-乙基-咔唑。利用1H NMR、MS、FT-IR、UV-Vis和PL对化合物进行了表征。利用单晶X射线衍射确定L1和L3的单晶结构。利用密度泛函理论(DFT)方法对这三种联呲啶衍生物的基态几何结构,前线分子轨道和紫外可见吸收光谱进行计算研究。以联吡啶衍生物L3为配体,制备了第一过渡系金属离子Co(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)的3种配合物1、2、3,利用MS、FT-IR、UV-Vis、PL以及TG对化合物进行了表征,推测了配合物可能的组成。荧光发射光谱研究结果表明：与同浓度配体比较,配合物1的荧光强度显著降低,配合物2、3荧光趋于微弱。差热分析结果表明配体和配合物都有很好的热稳定性。合成了(E)-2-氰基-3-(9-对甲苯基-9H-咔唑基)丙烯酸(L4)并通过X射线、1H NMR、MS、 FT-IR、UV-Vis进行了表征。基于DFT方法(BHandHLY、PBE1PBE、M062X、B3LYP和CAM-B3LYP),在6-311++G(d,p)基组上分别计算了振动频率。利用TDDFT和PCM-TDDFT理论水平分别计算了气相中和在甲醇中电子吸收光谱,计算结果与实验结论基本一致。讨论了L4的热力学性质。对分子的键轨道轨道占据,自然键轨道分析,自然原子杂化状态也进行了计算讨论。

关键词： 二茂铁   卟啉   三芳胺   敏化染料太阳能电池   β-二酮  

摘要： 以二茂铁和不同三芳胺作为供电基团,通过共轭方式将其连接到卟啉或氟硼化合物上,从而得到三类具有“推-拉”式结构的有机染料,依次分别为:二茂铁-卟啉染料、三芳胺-卟啉染料和三苯胺类β-二酮氟硼染料。对各种染料所具有的光、电化学性能进行了系统地研究,最后根据各种染料所具有的性能,对其应用进行了探索。(1)以二茂铁为原料合成了乙烯基二茂铁、乙炔基二茂铁和(4-甲酰基)苯基二茂铁;同时用经典的MacDonmd[2+2]方法,将取代二吡咯烷与各种芳香醛进行缩合、成环,合成出卟啉染料前体,最后经溴化以及偶联反应,将系列二茂铁衍生物连接到卟啉中位,得到四种具有“推-拉”结构的二茂铁-卟啉染料:Fc-ZnP,Fc-vinyl-ZnP、Fc-ethynyl-ZnP和Fc-Ph-ZnP,其连接共轭桥依次为:单键、双键、三键和苯环。以不含有二茂铁基团的卟啉染料ZnP作为参比,系统地研究了共轭桥长度的变化对二茂铁-卟啉二元复合物光、电化学性能的影响。由于二茂铁基团与卟啉环之间存在快速的电子转移,导致二茂铁-荧光的淬灭,最后根据而二茂铁基团被不同金属离子氧化后,荧光得到部分恢复的现象,实现了系列二茂铁卟啉染料对不同金属离子(Fe3+,Cu2+,Ce4+)进行检测。(2)以各种二芳胺(咔唑、吩噻嗪、亚胺基二苄、亚氨基芪)为原料,有机钯试剂为催化剂,通过Ullmann反应得到四种不同刚性的三芳胺甲酰基化合物,即三芳胺甲醛。进而以三芳胺醛、4-甲酰基苯甲酸甲酯和苯基二吡咯烷为原料,通过经典的MacDonmd[2+2]方法得到系列三芳胺-卟啉染料前体,再经过金属化反应和水解反应,合成出具有系列具有D-π-A结构的三芳胺-卟啉敏化染料。测试了其作为敏化染料时各种光、电化学性能,最后将染料吸附于TiO2膜并组装成敏化染料太阳能电池,测定其光电转化性能。(3)以各种简单的三苯胺溴化物和硼酸化合物为原料,通过Suzuki偶联反应得到了各种功能性三苯胺衍生物,进而以其为原料,合成了四种具有D-π-A-π-D结构的三苯胺类β-二酮氟硼类染料。研究了供体与受体间π桥长度的改变对染料光、电化学性能的影响。最后根据四种染料所具有的光化学性能,探究了其作为卟啉类敏化染料太阳能电池中的复配敏化剂和生物分子荧光探针的应用。

关键词： 染料敏化太阳能电池   ZnO   纳米棒   纳米球   复合结构  

摘要： 染料敏化太阳能电池(DSSCs)自1991年被报道以来,很快成为材料工作者们的研究热点。虽然现阶段染料敏化太阳能电池的光电转化效率仍比硅基太阳能电池的光电转化效率低,且其成品电池的稳定性还待进一步提高,但是由于其具有简单的制备工艺,丰富的原料来源,相对低廉的制作成本,而且对环境友好无污染等特点,因此具有较高的研究价值和很好的市场前景,可能会成为未来太阳能电池的主导,被誉为第三代太阳能电池。ZnO和Ti O2是染料敏化太阳能电池中最常用的两种光阳极半导体材料。Ti O2用于染料敏化太阳能电池光阳极材料已有很长历史,很多染料敏化太阳能电池的记录都由Ti O2保持,然而Ti O2基染料敏化太阳能电池光电转化效率的进一步提高却被种种因素限制,其中最主要的因素就是由于光生电子在Ti O2与染料分子和电解质界面处的再复合,造成光生电子大量的减少及能量损失,从而影响电池的最终效率。和Ti O2相比,ZnO具有电子传输效率高、制作方法简单、形貌易于控制等特点,从而受到越来越多的关注并被用于染料敏化太阳能电池光阳极。尽管目前ZnO基染料敏化太阳能电池效率仍低于Ti O2,但其提高的空间还非常大。本文通过溶液生长法和固相法等简易的制备方法制备出各种形貌的ZnO纳米材料,然后将其作为染料敏化太阳能电池的光阳极,组装成电池后对其光电性能及其机理进行研究和分析。本文采用钌的配合物染料(N719染料)作为光敏化剂,用Pt电极作为对电极。电池组装好以后滴加电解液,在氙灯模拟太阳光光源的照射下(AM1.5,100m W/cm2)测试其光电性能。结果显示,固相法制备的ZnO纳米多维球和溶液生长法制备的ZnO纳米棒按照一定的比例混合的复合材料组装的染料敏化太阳能电池展现出了很高的光电转化效率。通过XRD、SEM、EIS和紫外-可见漫反射等表征手段对所得ZnO样品的结构、形貌、阻抗和染料吸附等特性进行表征。结果解释说明了ZnO纳米多维球的多维结构和大的比表面积能增大染料的吸附量,一维结构的ZnO纳米棒具有很高的电子传输效率,而且能给电子提供快速的传输路径,可以缩短光生电子在光阳极薄膜中的传输时间,从而可以减少电子的再复合。ZnO纳米棒和ZnO纳米球的复合材料既能吸附大量染料从而产生足够的光生电子而且电子能够较快的传输到FTO导电玻璃基底上,能量损耗很少,从而能很大的提高染料敏化太阳能电池的光电转化效率。将所制备的ZnO纳米棒用KOH,H2O2,低温冷冻等方式处理后,ZnO纳米棒会被腐蚀而变得粗糙,将这样特殊形貌的ZnO纳米棒再与ZnO纳米球混合,组装电池后显示出了更高的光电转化效率。通过XRD、SEM、TEM、EIS和紫外-可见漫反射等表征手段表征后可以发现经过后处理的ZnO纳米棒不再呈现规则的棒状形貌,而是具有粗糙不规则的表面和部分中空的内部结构,这样特殊形貌的ZnO纳米棒不但具有高的电子传输效率,而且有更大的比表面积,从而能够更进一步地提高电池的光电转化效率。