烯二炔染料的设计合成及其敏化的太阳能电池性能研究

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染料敏化太阳能电池(DSSCs)是利用染料分子作为敏化剂吸收太阳光子,把光能转化成电能的一种新型太阳能电池。凭借其低成本,高转化效率的优点,DSSCs成为最有潜力的第三代太阳能电池,获得全世界研究人员的广泛关注。提高DSSCs光电转化效率和稳定性是其研究以及推进产业化的两个关键性问题。本论文设计合成了一系列基于烯二炔结构的以三苯胺为电子给体的D-π-A型染料,研究了其单独作为染料敏化剂及其与N719共吸附时的光电转化性能,并研究了含烯二炔结构的染料经历Bergman环化反应后的产物作为N719共吸附剂时的光电转化性能。  我们将烯二炔结构引入有机小分子染料敏化剂,设计合成了三种以三苯胺为电子给体,氰基丙烯酸基团为电子受体和吸附基团,以苯基烯二炔结构为π桥链基团的新型染料EDY-1,EDY-2和EDY-3。研究了电子给体的数目及电子给体与受体相对位置对染料敏化太阳能电池性能参数的影响。由于三种染料的光谱吸收范围较窄(仅到550nm),限制了其光电转化性能。在AM1.5G,100 mW/cm2模拟太阳光照条件下,双三苯胺供体的染料EDY-3的光电转化效率为5.41%(短路电流JSC为12.28 mA/c m2,开路电压VOC为730 mV,填充因子FF为0.60)。  我们接着尝试通过热致Bergman环化反应使染料分子EDY-3发生原位或者预聚合,形成π结构并联的低聚物,来提高器件性能,但是这类染料的热致Bergman环化反应触发温度较高,对器件性能造成了不利影响;为了降低Bergman环化反应温度,又合成了两种基于马来酰亚胺烯二炔的以两个三苯胺基团为电子给体的染料前驱体,在热致Bergman环化反应温度下分别生成D-A型的共轭聚苯低聚物11-BC和13-BC,再与N719共吸附,尽管两种共轭聚苯单独作为敏化剂时光电转化效率很低,但基于13-BC+N719的共敏化体系的电池性能较N719有所提升(JSC和VOC均增大),特别是13-BC+N719(1∶2)的体系,光电转化效率达到9.68%(JSC为18.18 mA·cm-2,VOC为750 mV,FF为0.71),在相同条件下比N719单独敏化的电池提高了16%,且电池具有很好的稳定性。  我们还合成了一系列简单烯二炔结构的共吸附剂,与N719共吸附,尝试通过热致、光致和酸催化使其发生原位或Bergman环化聚合反应或者预聚合反应,探究它们对N719的吸附稳定性和电池光电转化性能的影响,但由于时间及条件限制,未进行进一步研究。
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