臺灣博碩士論文加值系統

在本論文中，我們成功合成了一系列三苯胺衍生物染料化合物，其結構均包含推電子基團、π架橋、修飾基團及拉電子基團，本篇主要探討不同的π架橋、修飾基團及拉電子基團對其光電轉換效率的影響。π架橋採用噻吩及3,4-二氧乙基噻吩作為π共軛連接鏈。修飾基團設計以噻吩為主體的修飾基團，並加入烷基鏈增加溶解度，以利後段原件製作，並且由於烷基鏈為疏水端，可抑制染料因水氣脫落。拉電子基團採用cyanoacetic acid、rhodanine-3-acetic acid及malonic acid。
我們測量化合物其個別的吸收光譜、螢光激發光譜和電化學性質。同時也將其製作成染料敏化太陽能電池元件，利用太陽光模擬系統來進行光電轉換效率(η)的測試。

In this thesis,we have successfully synthesized a series of triphenylamine derivative dye compounds, their structures contain electron-donating groups, π bridges, modified groups and electron-accepting groups, this chapter mainly discusses the different π bridges、 modified groups and electron-accepting groups of its photoelectric conversion efficiency.π bridges with thiophene and 3,4-Ethylenedioxythiophene as a π-conjugated connection chain, modified groups design modification of thiophene as the main group, and joined the alkyl chain to increase solubility, to facilitate the production of solar cell components, and because alkyl chain has a hydrophobic nature, the introduction of hydrophobic groups can reduce the dye caused by water desorption of the case. Use cyanoacetic acid、rhodanine-3-acetic acid and malonic acid as the electron-accepting groups .
All of these compounds were characterized by UV/VIS spectrophotometer, fluorescence spectrophotometer and cyclic voltammetry.Also be made into dye-sensitized solar cell components, The power-conversion efficiency was measured by the AM1.5 simulated solar light system.

目錄

摘 要i
Abstractii
誌 謝iii
目錄iv
表目錄vi
圖目錄vii
化合物結構與編號xi
第一章 序論1
1.1 前言1
1.2 太陽能電池之發展1
1.3 太陽能電池的分類3
第二章 原理及文獻回顧5
2.1 染料敏化太陽能電池之研究發展5
2.2 染料敏化太陽能電池的結構7
2.2.1 半導體電極8
2.2.2 染料/敏化劑的種類9
2.2.2.1 釕金屬錯合物染料光敏化劑11
2.2.2.2 紫質錯合物染料光敏化劑12
2.2.2.3 有機高分子染料光敏化劑14
2.2.2.4 有機小分子染料光敏化劑15
2.2.3 染料/敏化劑結構設計上之分析19
2.2.3.1 延伸共軛鏈長度的染料20
2.2.3.2 具疏水性側向烷基鏈的染料21
2.2.3.3 具有修飾基團的染料22
2.2.3.4 具有不同拉電子基團的染料29
2.2.4 電解液32
2.2.5 相對電極33
2.3 染料敏化太陽能電池工作原理34
2.4 影響染料敏化太陽能電池效率的路徑35
2.5 太陽能電池光電轉換效率36
第三章 三苯胺衍生物的合成及其特性探討39
3.1 實驗動機及目的39
3.2 染料的合成及策略41
3.2.1 取代基團之噻吩衍生物42
3.2.2 π共軛連接鏈之芳香族42
3.2.3 Triphenylamine基團44
3.2.4 拉電子基團49
3.3 光學性質探討53
3.4 電化學性質探討61
3.5 染料電子雲分佈探討66
3.6 太陽能電池元件探討68
第四章 結論74
第五章 實驗部份75
5.1 實驗儀器和藥品75
5.2 合成步驟及數據77
參考文獻106
附錄 化合物之 1H-NMR110

表目錄
表2.1.1 DSSC發展歷史6
表2.2.2.4.1 coumarin染料16
表2.2.2.4.2 indoline染料17
表2.2.2.4.3 Triphenylamine染料18
表2.2.3.3.1 N3與TPAR14的光電參數比較表24
表2.2.3.3.2 D染料的光電性質表27
表2.2.3.3.3 D染料的光電參數表27
表2.2.3.3.4 LI-1與LI-2的電化學阻抗光譜圖29
表3.4.1 化合物WSH 1~WSH 7光電物理性質表66
表3.6.1 化合物WSH 1-7太陽能電池元件數據表73

圖目錄
圖1.2.1 衛星太陽能發電場計畫構想示意圖2
圖2.1.1 染料敏化電池結構圖5
圖2.2.1 染料敏化太陽能電池結構7
圖2.1.1.1 半導體氧化物的能階示意圖9
圖2.2.2.1.1 N3 及 N719 dyes 化學結構式11
圖2.2.2.1.2 染料透過carboxylate groups 與TiO2表面形成ester linkages12
圖2.2.2.1.3 Charge transfer processes between dye and the TiO2 lattice：
1.MLCTexcitation, 2. Electron injection and 3. Charge recombination12
圖2.2.2.2.1 TCPP 之分子結構圖13
圖2.2.2.2.2 植物之光合作用示意圖14
圖2.2.2.3.1 P3TAA 及 P3TAA-PHT dyes 化學結構式14
圖2.2.2.3.2 P3TMA dyes化學結構式15
圖2.2.3.1 染料設計示意圖19
圖2.2.3.2 新類型染料設計示意圖20
圖2.2.3.1.1 三苯胺衍生物染料示意圖20
圖2.2.3.1.2 三苯胺衍生物的吸收光譜比較圖21
圖2.2.3.1.3 N719與三苯胺衍生物的光電流-電壓比較圖21
圖2.2.3.2.1 MK-dye 示意圖22
圖2.2.3.2.2 (a) MK-2與MK-3的瞬變光譜圖
(b)MK-2、TiO2陽極和電解液能階示意圖22
圖2.2.3.3.1 TPAR14 示意圖23
圖2.2.3.3.2 TPAR14染料的吸收及放光光譜示意圖23
圖2.2.3.3.3 電子轉移過程中染料敏化太陽能電池示意圖
(a)二次電子給電子基團電子轉移到給電子基團的核心(b)給電子基團電子轉移到TiO2上(c)TiO2 接受染料激發態的電子後，電子往反方向與染料發生電子電洞對的再結合24
圖2.2.3.3.4 DL染料示意圖25
圖2.2.3.3.5 DL染料的吸收光譜圖25
圖2.2.3.3.6 DL染料的電子生命週期圖26
圖2.2.3.3.7 D染料示意圖26
圖2.2.3.3.8 D染料的吸收光譜圖27
圖2.2.3.3.9 D染料的電子生命週期圖28
圖2.2.3.3.10 LI-1及LI-2染料示意圖28
圖2.2.3.3.11 LI-1與LI-2的電化學阻抗光譜圖29
圖2.2.3.4.1 TPAR11及TC12染料示意圖29
圖2.2.3.4.2 TPAR與TC12的吸收光譜圖30
圖2.2.3.4.3 分子軌域模擬示意圖 TPAR11 (a)和 TC12 (b)30
圖2.2.3.4.4 Anthracene染料示意圖31
圖2.2.3.4.5 M1-M4的吸收光譜圖31
圖2.3.1 DSSC 工作原理示意圖34
圖2.4.1 DSSC 工作原理示意圖35
圖2.5.1 大氣質量圖 38
圖3.1.1 染料設計示意圖40
圖3.1.2 tris{4-(5-phenylthiophen-2-yl)phenyl}amine (TPTPA)結構圖40
圖3.1.3 三苯胺衍生物結構設計圖41
圖3.2.1 三苯胺衍生物結構圖41
圖3.2.1.1 化合物1a、1b、1c合成流程圖42
圖3.2.1.2 化合物2a、2b、2c合成流程圖42
圖3.2.2.1 化合物4a合成流程圖43
圖3.2.2.2 化合物3合成流程圖43
圖3.2.2.3 化合物4b合成流程圖44
圖3.2.3.1 化合物7a合成流程圖44
圖3.2.3.2 化合物8a合成流程圖45
圖3.2.3.3 化合物5合成流程圖45
圖3.2.3.4 化合物6合成流程圖46
圖3.2.3.5 化合物7b及化合物7c合成流程圖46
圖3.2.3.6 化合物8b及化合物8c合成流程圖47
圖3.2.3.7 化合物9a、9b及9c合成流程圖48
圖3.2.3.8 化合物9d及9e結構圖49
圖3.2.4.1 化合物WSH 1合成流程圖49
圖3.2.4.2 化合物WSH 2、WSH 3、WSH 4及WSH 5結構圖50
圖3.2.4.3 化合物WSH 6合成流程圖51
圖3.2.4.4 化合物WSH 7合成流程圖52
圖3.3.1 化合物WSH 1-7之UV-Vis吸收光譜圖53
圖3.3.2 化合物WSH 1、WSH 2、WSH 3之UV-Vis吸收光譜圖54
圖3.3.3 化合物WSH 3、WSH 4、WSH 5之UV-Vis吸收光譜圖55
圖3.3.4 化合物WSH 3、WSH 6、WSH 7 之UV-Vis吸收光譜圖56
圖3.3.5 化合物WSH 1- 7之激發光譜圖57
圖3.3.6 化合物WSH 1之UV-PL疊圖57
圖3.3.7 化合物WSH 2之UV-PL疊圖58
圖3.3.8 化合物WSH 3之UV-PL疊圖58
圖3.3.9 化合物WSH 4之UV-PL疊圖59
圖3.3.10 化合物WSH 5之UV-PL疊圖59
圖3.3.11 化合物WSH 6之UV-PL疊圖60
圖3.3.12 化合物WSH 7之UV-PL疊圖60
圖3.4.1 化合物WSH 1循環伏安圖62
圖3.4.2 化合物WSH 2循環伏安圖62
圖3.4.3 化合物WSH 3循環伏安圖63
圖3.4.4 化合物WSH 4循環伏安圖63
圖3.4.5 化合物WSH 5循環伏安圖64
圖3.4.6 化合物WSH 6循環伏安圖64
圖3.4.7 化合物WSH 7循環伏安圖65
圖3.4.8 化合物WSH 1~WSH 7能階分布圖65
圖3.5.1 WSH 1~7電子雲分佈模擬圖68
圖3.6.1 化合物WSH 1-7之I-V圖69
圖3.6.2 化合物WSH 1、WSH 2、WSH 3之I-V圖69
圖3.6.3 化合物WSH 3、WSH 4、WSH5之I-V圖70
圖3.6.4 化合物WSH 3、WSH 6、WSH7之I-V圖71
圖3.6.5 化合物WSH 3及N719之I-V圖72

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