染料敏化太阳能电池中的敏化剂

染料敏化太阳能电池（DSSC）是一种新型的太阳能电池。染料敏化剂的性能对DSSC的光电转换效率有重要的影响,要获得高的光电转换效率需要有高效、稳定的染料敏化剂。本文介绍了近年来染料敏化剂的设计合成,并讨论了各种敏化剂的优缺点及发展方向。     

新型染料敏化剂三苯基咪唑丙烯酸的合成及其光电性能

以苯偶姻、苯甲醛和丙二酸为原料经3步反应合成了新型三苯基咪唑系染料敏化剂(TPIA),其结构经1H NMR,13C NMR,IR和MS表征,并分析了咪唑的环化反应机理。将TPIA用于染料敏化太阳能电池染料敏化剂,表明TPIA具有良好的光电转换性能,TPIA的乙醇饱和溶液吸附敏化光阳极24 h的DSSC光电转换效率为1.90%,填充因子为74.5%。     

以苯并噻二唑为辅助受体的N-苯基咔唑类染料敏化剂的合成及光伏性能

以N-苯基咔唑为电子给体,苯并噻二唑为辅助电子受体,噻吩或苯为π桥,氰乙酸或罗丹宁乙酸为键合受体,设计合成了四个N-苯基咔唑类染料敏化剂.对所合成的染料敏化剂的光谱性能和光电转换性能进行了研究.以氰乙酸为受体的染料敏化剂尽管最大吸收波长和摩尔吸光系数较以罗丹宁乙酸为受体的染料敏化剂低,但由于其电子注入效率高,导致其光电流和光电压均较优.以苯环为桥键的染料敏化剂较以噻吩环为桥键的染料敏化剂具有更好的光电流和光电压,因此四种染料敏化剂中,以苯基作为桥键,氰基乙酸作为受体的染料敏化剂获得较佳的光电转换效率5.28%(J_(SC)=9.14 mA/cm~2,V_(OC)=0.74 V,FF=0.78).     

染料敏化纳米晶太阳能电池中敏化剂的研究进展

染料敏化剂是染料敏化纳米晶太阳能电池(DSSC)的重要组成部分,对电池性能有着重要的影响。本文将染料敏化剂分为有机金属配合物和纯有机化合物两大类,综述了这两类敏化剂的研究现状,同时讨论了其结构对光电转化效率的影响机理。     

有机染料敏化剂JK16和JK17的几何结构、电子结构及相关性质

运用密度泛函理论中的杂化泛函B3LYP研究了高效太阳能电池新型染料敏化剂JK16和JK17的几何结构、电子结构、极化率和超极化率, 并用含时密度泛函理论(TDDFT)研究了电子吸收谱. 基于含时密度泛函理论计算结果和实验结果的定性符合, 指认了在可见和近紫外区的吸收属于π→π*跃迁. 计算结果还表明JK16和JK17激发能最低的三个跃迁都与光诱导电荷转移过程有关, 而且二-二甲基芴氨基苯并噻吩基团对光电转换过程的敏化起主要作用, 发生于染料敏化剂JK16、JK17和TiO2界面之间的电荷转移是由染料分子激发态向半导体导带的电子注入过程. 此外, 通过对JK16和JK17的比较, 分析了亚乙烯基对几何结构、电子结构和谱学特性的影响.     

拓扑结构不同金属有机聚合物的电化学聚合行为和光谱电化学性质北大核心CSCD

金属有机聚合物的拓扑结构是影响其光电性质的重要原因之一。通过吡啶配体不同位点引入的电化学活性基团乙烯基或乙炔基,在电极表面电化学聚合制备了拓扑结构不同的钌金属有机聚合物薄膜,并利用循环伏安、紫外-可见吸收光谱、红外反射光谱、扫描电子显微镜等手段对其电化学特性、光电性质、表面形貌等性质进行了表征。结果表明,电活性配合物反应活性位点的空间位阻效应影响了电化学聚合的效率,其不同拓扑结构的聚合产物具有明显的光谱电化学性质差异。     

星型多支化p-n结构窄带隙共轭分子的设计合成与性能研究

通过Suzuki偶联反应合成了三种多支化p-n结构窄带隙材料P1, P2和P3. 通过¹H NMR, ¹³C NMR, GC-MS/MALDI-TOF等表征了其化学结构, 并研究了其光物理性质、热力学性质、电化学性质及其电子结构与光电性能等. 结果表明这三种星型分子具有溶解性好、能隙窄、吸收光谱宽及热稳定性高等特点.     

含有p-n单元的苝聚酰亚胺的合成及其敏化光电池的性能研究

设计、合成并表征了含有p-n(供电子-吸电子)单元的苝聚酰亚胺PPI, 并研究了其作为敏化电极材料的光电池的性能. 产物为非晶态. 从电子谱中计算出其能带带宽为2.16 eV, 用电化学循安伏安法计算得到其电子亲和势(E_a, 最低空轨道能级)为－3.97 eV, 离子势(IP, 最高占据轨道能级的绝对值)为6.13 eV, 其能级与二氧化钛的能级相匹配, 对二氧化钛有较好的敏化作用. 光电池的光电流作用谱(IPCE)与紫外电子谱十分相似, 光电压与光强之间有指数的关系. 用苝聚酰亚胺为敏化剂的光电池的光电转换效率为0.0135%.     

染料敏化太阳能电池敏化剂的模块化设计理念*

作为第一个开创性的分子光伏太阳能器件,染料敏化太阳能电池(DSSC)由于其低成本、可调节性和高光伏性能而引起了全世界的广泛关注。 随着用于DSSC的纯有机敏化剂的发展,其构型从D-π-A、D₂-π-A到D-A-π-A,逐渐形成了完整的模块化设计理念。 依据该理念,研究者完成了大量具有高光伏性能的有机敏化剂的设计和合成,并应用到DSSC中。为了将分子新能源的前沿领域引入化学专业本科生的专业课程,在此总结了敏化剂的模块化设计思路及应用,以满足化学专业相关课程的要求,同时以提高学生的学习兴趣和知识范围。 模块化设计理念可操作性强,可大幅提高工作效率,有望应用于分子设计的其他领域。     

一种新型含有噁二唑单元的有机太阳能电池染料敏化剂的合成

通过Sonogashira偶联反应合成了一种三苯胺作为电子给体、噁二唑单元作为电子传输体、羧酸部分作为电子受体的新型染料敏化剂。通过核磁、高分辨质谱、紫外光谱对此化合物的结构和性能进行了表征和测试。氧化还原电位计算表明,此化合物可以作为二氧化钛电极的敏化剂。     

改进型溶胶-凝胶法制备粒径可调高染料吸附量TiO2微球及其在染敏电池光散射层中的应用

利用改进型的溶胶-凝胶法,制得了由锐钛矿相纳米颗粒组成的TiO2多孔微纳小球。通过调节前驱物浓度,合成出粒径可控的尺寸分别为100,175,225,475 nm的TiO2微纳小球,并通过电泳沉积法将合成出的小球作为光散射层引入到染料敏化太阳电池(DSSC)中。由于这种微纳小球在具备良好的光散射性能的同时也具备较高的染料吸附量,因此相较于基于纳米颗粒的单层结构的DSSC拥有更高的光电转换效率。通过比较分析,粒径尺寸为475 nm的微球作为光散射层的DSSC光电转换效率可以达到6.3%,较之于基于纳米颗粒的DSSC提高了30%。     

新型可见光光电材料NiNb2O6的合成及其光电化学性质

本文报道了"软化学"法合成得到的新型光电转换材料NiNb2O6的合成及其在可见光照射下的光电化学性质。采用X-射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)以及紫外-可见漫反射谱(DRS)等手段研究了合成材料的晶型结构、形貌以及光物理性质。结果表明,该材料具有与Nb2O5完全不同的新型结构,且具有两个明显的吸收带,相应的禁带宽分别为3.02和2.30 eV,具有较好的可见光(λ>420 nm)吸收性能。在可见光下照射下NiNb2O6薄膜光电极上观察到有光电流的产生,表明其具有较好的光电转换性能。     

富勒烯系列配合物η2-C60[Ru(NO)(PPh3)]n的合成与光电性能

合成了一系列新的富勒烯钌配合物.通过元素分析、紫外-可见光谱、红外光谱、光电子能谱(XPS)和13C及31PNMR等多种手段对它们进行了表征.结果表明.该系列配合物分子内存在超共轭效应,共轭电子多.离域性好.通过光伏效应装置研究了它们的光电性能,结果显示该系列配合物具有良好的光电性能.     

理论研究π桥对C217染料光伏性质的影响

本文以C217染料为母体结构,通过改变π桥联基团的种类、数量、连接方式,设计了一系列结构新颖的染料敏化剂,利用密度泛函理论方法(DFT)结合不连续的电荷跳跃模型研究了所设计染料的电子结构、光学吸收及光伏性质。理论预测C217的光电转化效率达到了9.50%,与其实验值比较接近(9.80%)。而染料7具有较高的短路电流密度(21.144 mA·cm~(-2))、开路电压(0.760 V)、填充因子(0.762)光电转换效率为12.31%,证明染料7是一种潜在的高效染料敏化剂,值得进一步实验研究。     

上转换发光在染料敏化太阳能电池中的应用

以水热和高温煅烧相结合的方法制备了掺Er³⁺的TiO₂上转换发光层,并将其组装在染料敏化太阳能电池(DSSC)中。通过XRD﹑荧光光谱﹑UV-Vis和电池的光电性能测试,分析了上转换发光层的发光机理及其加入后对染料敏化太阳能电池性能的影响。结果表明,上转换发光层的引入有效地提高了DSSC的光电性能,在80 mW·cm^-2红外光照射下最高光电转换效率达到了0.14‰,比未加上转换发光层的DSSC提高了160%。     

一种高效染料敏化太阳电池电解质添加剂

报道了一种新型染料敏化太阳电池电解质添加剂——N-十六烷基吡啶碘(N-CPI).往电解质中添加0.02MN-CPI,能同时提高染料敏化太阳电池(DSSC)的短路电流和开路电压,光电转换效率也由4.429%提高到6.535%,增幅高达47.55%,由此可见,N-CPI是一种高效电解质添加剂.N-CPI这种功能来源于其双极性基团的特殊分子结构,这种结构使N-CPI在电解质中如表面活性剂那样形成有序分布,影响I-/I3-的扩散和氧化还原性能,进而影响DSSC的光电性能.     

染料敏化太阳能电池对电极材料优化的研究进展

简要说明了染料敏化太阳能电池(DSSC)的结构和工作原理,重点综述了近几年来DSSC对电极材料优化的研究成果。对电极作为DSSC结构的关键组成部分之一,主要作用是吸收来自外电路中的电子,将电子传递给电解质氧化还原电子对形成电流循环。介绍了铂对电极、碳对电极、复合对电极在DSSC中的应用,并着重分析了不同材料的特性对DSSC光电性能的影响以及研究进展。     

过氧化钛配合物(PTC)体系在柔性染料敏化太阳能电池中的应用

本文利用水性过氧化钛配合物(peoxotitanium complex:PTC)前驱体可低温合成锐钛矿TiO₂溶胶的特性,将其用作柔性染料敏化太阳能电池(DSSC)中的光阳极材料的成膜助剂.研究发现:加入基于PTC制得的TiO₂溶胶可以明显提高DSSC的光电转换性能,在制备DSSC的浆料中加入10%(体积分数)的基于PTC制得的TiO₂溶胶后,电池的光电效率可以提升50%.我们进一步研究了光电转换效率的影响因素,结果表明,溶胶的加入量和反应时间均有一最佳值,当基于PTC的TiO₂溶胶添加量为10%,反应时间为9h,所得到电池的光电性能最好.     

改进型溶胶-凝胶法制备粒径可调高染料吸附量TiO2微球及其在染敏电池光散射层中的应用

利用改进型的溶胶-凝胶法, 制得了由锐钛矿相纳米颗粒组成的TiO₂多孔微纳小球。通过调节前驱物浓度, 合成出粒径可控的尺寸分别为100, 175, 225, 475 nm的TiO₂微纳小球, 并通过电泳沉积法将合成出的小球作为光散射层引入到染料敏化太阳电池(DSSC)中。由于这种微纳小球在具备良好的光散射性能的同时也具备较高的染料吸附量, 因此相较于基于纳米颗粒的单层结构的DSSC拥有更高的光电转换效率。通过比较分析, 粒径尺寸为475 nm的微球作为光散射层的DSSC光电转换效率可以达到6.3%, 较之于基于纳米颗粒的DSSC提高了30%。     

两亲型多吡啶钌(II)染料的合成及其在染料敏化太阳电池中的应用

合成了两亲型多吡啶钌(II)配合物：顺式-二异硫氰根(4,4'-二叔丁基-2,2’-联吡啶)(4,4’-二羧酸-2,2’-联吡啶)合钌(II)(K005)，并用循环伏安法、核磁共振氢谱、紫外－可见吸收光谱、傅立叶变换红外光谱等对其进行了表征。该配合物在537和418 nm处有强的金属－配体电荷转移吸收带，可以在很宽带光谱范围内对纳米二氧化钛薄膜进行敏化。对K005染料的光物理和光化学性能和著名的N3染料和两亲型染料Z907进行了对比。通过循环伏安测试，观察到了一对可逆氧化还原电对，其阳极峰电位和阴极峰电位差0.08 V，半波电位为0.725 V(相对于饱和甘汞电极)，这个电对归属于RuII/III的氧化还原。这个配合物成功用作染料敏化太阳电池的敏化剂，在未对二氧化钛薄膜和电解质进行优化时，在AM 1.5，100 mW cm-2的太阳辐照下，获得了3.72%的光电转换效率。