染料敏化电池被视为最有潜力的太阳电池之一(组图)

染料敏化电池被认为是最具潜力的太阳能电池之一。敏化剂结构的改进和优化是提高染料敏化电池性能最直接、最有效的手段之一。敏化剂分子间的相互作用是影响细胞效率提高的重要因素。本论文从控制分子间聚集的角度出发，分别设计染料分子的供体和π桥，合成了一系列新型染料分子。通过测试这些染料的光物理和电化学性能，系统地分析了染料分子的捕光性能以及染料再生和电子注入的热力学可能性。通过量子化学计算，得到了染料分子的最佳构型和电子分布，讨论了染料分子的抗聚集能力。通过分析共吸附剂对电池光电性能的影响，研究了敏化剂结构与抗聚集性能的关系。第一章回顾了烷基链（包括长度、种类和连接位置）、大空间位阻基团、扭曲构型和螺结构对染料聚集的影响。通过对这些文献的总结发现，烷基链的延长、空间位阻基团的增加和非平面结构的引入，均有助于提高染料的抗聚集能力。同时，这些改进也会带来一些缺点，如染料分子的平面性降低、吸附能力降低、光捕获范围变窄、光捕获能力弱等。在本文中，设计了一系列新的染料敏化剂来解决这些缺陷。第二章主要研究了添加电子给体桥联二噻吩（EIMW）对抗聚集性能的影响。

通过引入EIMW作为额外的电子供体和吩噻嗪作为电子供体，设计了两种新型纯有机敏化剂PH2和PH3。与不含该环状分子链的参比染料 PH1 相比，发现该环状分子链的引入不仅可以增加分子的共轭度，拓宽染料的捕光范围，显着提高敏感度。试剂的摩尔消光系数。 PH1-3的光电转换效率按PH2(7.08%)>PH3(6.51%)>PH1(5.64%)的顺序递减。添加共吸附剂CDCA（鹅去氧胆酸）后，PH1-3的效率分别提高了40%、11%和20%。 PH2和PH3之所以能在不添加CDCA的情况下获得更高的光电转换效率，主要是由于引入了这种环状分子链，抑制了分子​​间的聚集。 PH2和PH3的开路电压明显高于PH1，这可能是因为EIMW抑制了电子复合，削弱了暗电流。结果表明，EIMW作为额外的电子供体不仅削弱了染料的聚集，而且抑制了电子的复合。在第三章中合成染料中间体，我们关注 π 桥对抗聚集性能的影响。由于EIMW作为附加电子供体可以减少染料的聚集，以EIMW为π桥构建了一种新型染料IBT1。同时，以2',7'-bis(hexyloxy)spiro[2,1-b:3,4-b']dithiophene-4,9'-fluorene](SPDF)为π桥构建新型染料第一次IBT2。

与以3,3'-二己基-2,2'-二噻吩（DHBT）为π桥的参比染料IBT3相比，IBT1和IBT2具有更宽的吸收范围和更高的摩尔消光系数。密度泛函理论 (DFT) 计算表明 IBT1 和 IBT2 具有比 IBT3 更好的平面度。与IBT3相比，以EIMW为π桥的IBT1和以SPDF为π桥的IBT2能更有效地抑制分子间聚集。以 SPDF 作为 π 桥的 IBT2 最强的抗聚集能力是由于其刚性的 T 形结构。同时，EIMW作为π桥比DHBT具有更明显的抗聚集能力，主要是因为前者的空间位阻更大。为了提高电池的性能，本文采用了共敏化策略。当染料 IBT1 和 IBT2 与 IBT3 共敏化时，新器件的效率分别达到 7.85% 和 7.64%合成染料中间体，与 N719 (7.85 ％在相同条件下测试））非常有效。这些结果表明EIMW和SPDF是潜在的抗聚集π桥，并且通过π桥的结构改进可以有效抑制分子间相互作用。第四章合成了N,N-双(4-(己氧基)苯基)氨基芘(TPPA)作为供体和一种新型螺环结构2',7'-双(2,6-双(己氧基)苯基)螺环[cyclopenteno[2,1-b:3,4-b']dithiophene-4,9'-fluorene] (HSPDF) 作为 pi 桥。

由于以TPPA为供体的新型染料DTE2的扭转角较大，其吸收波长与以经典三苯胺（TPA）为供体的染料DTE1相比存在蓝移，但这种非平面结构可以减少分子间堆积效应的发生。但以螺芴HSPDF为π桥的DTE3和DTE4的最大吸收波长明显红移，摩尔消光系数也明显提高。通过去质子化实验、密度泛函理论和共吸附实验发现，TPPA和HSPDF均能抑制染料分子间的聚集。以TPPA为供体的DTE2具有较大的扭曲结构，减少了分子的非平面结构，抑制了染料分子间的聚集；而当HSPDF用作π桥时，聚合受到抑制，因为“交叉”型结构产生更大的空间立体。 IBT3组装的电池实现了7.23%的光电转换效率，相当于在相同条件下测试的N719的93%。这些结果表明，HSPDF 是一种用于设计高效染料的有前途的抗聚集型 π 桥。本文设计了一系列新颖的抗聚集结构和染料分子。通过测试这些染料的性能已经获得了许多令人印象深刻的结果，在相同条件下，几种染料分子达到甚至超过了 N719 的水平。抗聚集实验结果表明，含有EIMW/SPDF/HSPDF结构的染料具有明显的抗聚集性能，可以显着提高电池的光电性能。此外，EIMW和HSPDF可以抑制暗电流，获得更高的开路电压。这些发现将对未来敏化剂的设计和染料敏化太阳能电池的发展起到推动作用。