基于碘基和钴基电解质的染料敏化太阳能电池的研究

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1、基于碘基和钴基电解质的染料敏化太阳能电池的研究StudyonDye-SensitizedSolarCellsBasedonIodineandCobaltElectrolytes一级学科：动力工程及工程热物理学科专业：热能工程研究生：张月指导教师：张于峰教授天津大学环境科学与工程学院二零一四年五月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作

2、了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要1991年，瑞士科学家MichaelGrätzel报道了染料敏化太阳能电池（Dye-sensitizedsolarcells，DSCs），在模拟太阳光的照

3、射下，获得了7.1-7.9％的光电转换效率。该类电池与传统的晶硅类太阳能电池相比，加工工艺简单，制造成本低廉，为人类大规模利用太阳能提供了新的途径。此后，DSCs成为太阳能光伏应用领域的研究热点。近年来，绝大部分光敏染料的设计、合成主要集中于碘基电解质，而碘电解质自身的缺陷限制了DSCs光电转换效率的进一步提高，研究发现，采用钴电解质可以降低太阳能电池生产成本，并且更加环保。但是仅仅用钴电解质代替碘电解质，电池性能并未得到提高。目前，基于两种电解质的光敏染料的研究报道还很少。为了进一步提高DSCs的性能，需要探索染料在两种电解质中的构效关系及协同作用机制，使光敏染料和电解

4、质协同配合，以促进染料分子结构的优化和设计。基于上述分析，本论文的研究主要包括以下内容：（1）设计、合成四种新型有机染料M14、M24、XS51和XS52，旨在提高染料的光捕获能力和抑制电子复合的能力，使其适用于钴电解质。染料M14和M24以三聚茚修饰的三芳胺为供电基团，XS51以己氧基修饰的三芳胺为供电基团，XS52以二氢吲哚为供电基团，四种染料都是以氰基乙酸为电子受体，以环氧噻吩（EDOT）为共轭桥结构。染料经过溴化、偶联、威尔斯迈尔反应和Knoevenagel缩合等反应合成。对四种染料以及它们的中间体进行了结构表征，证明了染料结构的正确性；（2）用染料M14、M2

5、4、XS51和XS52制作了基于碘基电解质和钴基电解质的染料敏化太阳能电池，包括二氧化钛薄膜电极、对电极的制备、敏化过程、电解质注入过程和封装过程；（3）测试了电池的光伏性能，进行了密度泛函和含时密度泛函计算，结合测试数据分析了染料的结构和电解质种类对电池性能的影响及二者的协同作用机制。基于有机染料M14和M24，论文中详细分析了三聚茚基作为给体时，其烷链长度对碘基和钴基电解质的染料敏化太阳能电池的光电性能的影响。使用碘电解质时，丙基染料M14制成的电池比己基染料M24电池表现出更大的短路电流Jsc和更高的光电转换效率（PCE），由于前者吸附的染料量大、电子寿命相当。然而

6、，M24敏化的钴电池的性能优于M14电池，主要是由于前者电子寿命显著增加。强度调制光电压谱（IMVS）数据表明，钴电池的电子寿命主要取决于烷链的长度；而碘电池的电子寿命受烷链的影响并不明显。电子浓度和电子寿命数据也证明了电池的光电性能和电解质中4-叔丁基吡啶（TBP）浓度的关系也与烷链长度有关。还分析了导带迁移和电子寿命与TBP浓度之间的关系。随着TBP浓度的增加，M14电池的光电流Jsc降低，而M24电池的光电流Jsc变化不大。密度泛函DFT和含时密度泛函TDDFT计算结果表明，光照后给体中的电子可以连续地转移到受体部分，然后注入到二氧化钛的导带。使用钴电解质E2的M1

7、4–2电池，其短路电流密度Jsc、开路电压Voc、填充因子FF分别是10.7mAcm、846mV和0.71，总的光电转化效率PCE为6.42%。相比之下，引入了长烷链的M24电池的开路电压显著提高了近100mV，总的光电转化效率提高到了7.86%。根据实验数据，我们认为在未来的钴电池有机染料的发展过程中，给体部分带有长烷链的有机染料应作为首选。基于三芳胺染料XS51和二氢吲哚染料XS52，研究了染料结构对光物理性质、电化学性质和电池性能的影响。同XS51相比，XS52显示出吸收光谱的红移和更高的分子消光系数。由于二氢吲哚的给电