染料敏化纳米晶体太阳能电池(Dye-Sensitized Nanocrystalline Photovoltaic SolarCells,DSSC)是一种非常有前途的清洁太阳能装置。它具有结构简单,成本低廉,易于制造等优点,对于光强度变化和温度变化不敏感,光电转换效率高,光稳定性好,对环境无污染,自1991年问世以来,引起人们的广泛关注。如何获得更高的光电转换效率,延长整个电池的使用寿命一直是研究的焦点问题。本文针对DSSC电池中存在电子回传、光谱吸收范围窄、在近红外及红外区吸收较少等问题,设计合成了含有-COOH、L-酪氨酸基团和咔唑结构的3种单核酞菁锌光敏染料,3种引入4-(4-羟基苯基)-2,3-二氮杂萘-1酮(DHPZ)桥键结构的双核酞菁锌光敏染料和2种Lu(Ⅲ)酞菁光敏染料。并对染料进行紫外-可见分析、红外分析、荧光分析、IPCE、光电转换效率等性能的研究。结果表明,在酞菁染料中引入空穴传输基团咔唑,一方面在太阳光照射下当激发态染料分子将电子注入到纳米TiO_2导带,形成氧化态Zn(Ⅱ)或Lu(Ⅲ)后,咔唑作为富电子基团,进行分子内电子传递,补充电子给Zn(Ⅱ)或Lu(Ⅲ),使其回落到基态Zn或Lu,自身被氧化成咔唑自由基,避免了回传得电子与氧化态金属的接触;而酪氨酸自由基和咔唑自由基可以从电解液中的氧化-还原电对(Ⅰ~-/I_3~-)得到电子,完成循环。另一方面咔唑同酞菁环间的共轭作用,促使染料Q-band吸收红移至690 nm。4-(4-羟基苯基)-2,3-二氮杂萘-1酮(DHPZ)桥键的引入,增大了酞菁之间的共轭结构,阻止了酞菁分子之间的自聚合,二聚体或多聚体形式明显减少,染料的电流密度随DHPZ的增加有所提高。稀土金属Lu(Ⅲ)有7个氧化还原态,当太阳光照射时,中心金属激发,发生双跃迁(分别为688 nm和713 nm);且配位而成的“三层夹心”立体酞菁分子具有独特的共轭结构和强的电荷迁移能力,使染料的Q-band吸收带红移至713 nm。染料吸收和太阳光有了更好的匹配,光电转换效率比相应的酞菁单核染料有所提高。
1 文献综述 10-25
    1.1 引言 10
    1.2 染料敏化纳米晶体太阳能电池 10-24
        1.2.1 电池结构 10-11
        1.2.2 电池的工作原理 11-14
        1.2.3 光诱导电子转移反应 14-17
        1.2.4 染料敏化剂 17-23
        1.2.5 光敏染料与纳米二氧化钛表面的相互作用 23-24
    1.3 选题背景和依据 24-25
2 含有羧基的锌酞菁、镥酞菁的研究 25-47
    2.1 引言 25-27
    2.2 实验部分 27-35
        2.2.1 仪器及试剂 27-28
        2.2.2 测试方法 28
        2.2.3 染料中间体合成 28-31
        2.2.4 染料合成 31-35
    2.3 结果与讨论 35-45
        2.3.1 染料的设计 35
        2.3.2 染料的合成与纯化 35-38
        2.3.3 染料结构表征 38-39
        2.3.4 染料的紫外可见吸收 39-40
        2.3.5 染料的激发-发射光谱 40-41
        2.3.6 染料在TiO_2上的吸附 41-43
        2.3.7 IPCE 43-44
        2.3.8 电池效率 44-45
    2.4 结论 45-47
3 含咔哇基团的酞普染料 47-64
    3.1 引言 47-49
    3.2 实验部分 49-53
        3.2.1 测试方法 49
        3.2.2 药品 49
        3.2.3 染料配体合成 49-51
        3.2.4 染料合成 51-53
    3.3 结果与讨论 53-63
        3.3.1 染料的设计 53
        3.3.2 染料的合成 53-54
        3.3.3 染料结构表征 54-55
        3.3.4 紫外-可见光谱分析 55-58
        3.3.5 激发-发射光谱 58-60
        3.3.6 染料在TiO_2表面的吸附 60-61
        3.3.7 IPCE 61-62
        3.3.8 电池效率 62-63
    3.4 结论 63-64
结论