共吸附剂的设计合成及其在染料敏化太阳电池中的应用

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染料敏化太阳电池(DSC)作为新型太阳电池自问世以来受到了广泛关注,其系统内部的接触界面尤其是TiO2/染料/电解质界面一直是该领域的研究热点。对该界面进行修饰是提高染料敏化太阳电池性能的有效手段,其中引入共吸附剂有机小分子和染料共同吸附在TiO2表面是一种简单有效提高DSC性能的方法。  共吸附剂的研究经过了二十几年的发展,主要分为传统共吸附剂和新型D-A(donor-accepter)型共吸附剂两大类。本论文的研究主要从这两类共吸附剂出发,合成了系列双烷基次膦酸类以及烷基苯胺类的有机小分子,并结合电化学测试手段系统地研究了共吸附剂修饰的DSC界面电子传输和复合机制,为TiO2/染料/电解质界面的修饰研究提供了实验依据和理论指导。  双烷基次膦酸作为一类具有潜力的传统共吸附剂,其特点主要表现在膦酸根作为强吸附基团可以很好的吸附到TiO2上,并对其稳定性具有促进作用;其次是两条疏水链可以形成紧密的阻挡层抑制电子复合。本论文着重对双烷基次膦酸链长的作用进行探讨,研究表明,不同链长的双烷基次膦酸作为共吸附剂分别作用在以钌染料Z907和有机染料D149为敏化剂的DSC中,链长的增长对抑制染料聚集以及抑制电子的复合有很好的促进作用,电池的光电转换性能得到了显著改善。  对于新型共吸附剂的设计及应用,目前仍然存在一定的挑战。此类共吸附剂的作用主要表现在简单易合成的分子结构,可以吸收短波长的太阳光增大光电流密度,同时其分子结构可以调整染料之间的距离,在TiO2表面得到很好的覆盖抑制电子复合。本论文设计并合成两种D-A型有机小分子(DHNA1和DHNA2)并作为共吸附剂引入到基于黑染料N749的DSC中。DHNA1以N,N-二己基苯胺作为电子供体,氰基乙酸作为电子给体,DHNA2在其基础上引入了噻吩单元作为共轭桥。结果发现,噻吩基团的引入使吸收光谱红移且拓宽,可见光区的光谱响应得到显著增强。但共轭程度的增加增大了DHNA2与染料之间的相互作用,导致电子寿命减小从而不利于开路电压的提高。而DHNA1则起到了抑制染料聚集的作用,在提高电流的同时抑制了电子复合的发生,电子寿命增大,提高了开路电压,最终使电池的光电转换效率提高了14.6%。
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