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研究生:楊志仁
研究生(外文):Yang,Chihjen
論文名稱:有機吩噻啶衍生物應用於染料敏化太陽能電池
論文名稱(外文):Organic Phenothiazine Derivatives for Dye-Sensitized Solar Cells
指導教授:周大新
指導教授(外文):Chow, Tahsin J.
口試委員:周德璋劉陵崗周大新
口試委員(外文):Chou, Teh-ChangLiu, Ling-KangChow, Tahsin J.
口試日期:2011-06-20
學位類別:碩士
校院名稱:國立中正大學
系所名稱:化學暨生物化學研究所
學門:自然科學學門
學類:化學學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:244
中文關鍵詞:染料敏化太陽能電池
外文關鍵詞:Dye-Sensitized Solar Cells
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有機染料敏化電池利用有機染料吸附於二氧化鈦上,由於近幾年其效率的提升與成本的降低而逐漸受到矚目,染料在有機染料敏化電池中扮演著相當重要的角色,因此要提升染敏化太陽能電池之效率,就必須開發出效率高的染料,能夠讓電子順利的傳達到二氧化鈦上。在本文的主要目的,是將我在碩士的實驗中所設計與合成的有機染料做個完整的紀錄。
合成出十二個以吩噻啶為主體的有機染料,並將這些染料作成實驗用電池。主要是將吩噻啶作為橋基,分別再利用cyanoacetic acid作為電子受體而合成一系列的化合物,在改變其電子予體或增加分子共軛長度以觀察其效率變化。
所合成出的化合物表現最好的單色光轉換效率 (IPCE) 在470nm可達到 95%(80%以上約在400 ~ 550 nm),電流 (Jsc) 可達到14.42 mA cm-2,開路電壓 (Voc)為690 mV,填充因子 (FF)為0.62,其轉換效率為 6.22% (光源為AM 1.5 illumination 100 mW cm-2)。其結果顯示以吩噻啶為架橋分子,可以產生效率不錯且安定的有機染料。
Dye-sensitized solar cells (DSSCs) based on organic dyes adsorbed on nanocrystalline TiO2 electrodes have received considerable attention because of their high incident solar light to-electricity conversion efficiency and low cost. A number of organic dyes have so far been developed and the relationship between their chemical structures and the photovoltaic performances of DSSCs based on the dyes has been studied. To create high-performance DSSCs, it is important to develop effective organic dye sensitizers, which should be optimized for the chemical structures to possess good light-harvesting features, to provide good electron communication between the dyes and a TiO2 electrode ,and to control the molecular arrangements on the TiO2 electrode. The aim of this paper is to the design and synthesis of organic dyes for DSSCs as a master thesis.
Twelve new phenothiazine organic dyes that were designed and synthesized as sensitizers for application in dye-sensitized solar cells(DSSCs).For these dyes, the phenothiazine derivative moiety and the cyanoacetic acid were functioned as the bridge and the electron acceptor respectively.
The phenothiazine derivative showed the best photovoltaic performance: a maximum monochromatic incident photon-to-current conversion efficiency (IPCE) of 95%, a short-circuit photocurrent density (Jsc) of 14.42 mA cm-2 an open-circuit voltage (Voc) of 690 mV and a fill factor (FF) of 0.62,corresponding to an overall conversion efficiency of 6.22% under standard global AM1.5 solar light conditions. These results demonstrated that the DSSCs based on phenothiazine dyes could achieve both high performance and good stability.
中文摘要 ii
Abstract iii
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 太陽能電池簡介 2
1-2-1 矽太陽能電池 5
(一)單晶矽太陽能電池 5
(二)多晶矽太陽能電池 6
(三)非晶矽太陽能電池 7
1-2-2 薄膜太陽能電池 8
(一)晶矽薄膜太陽能電池 8
(二)化合物半導體薄膜電池 9
1-2-3 有機太陽能電池 10
(一)有機小分子太陽能電池 11
(二)有機/無機奈米複合材料太陽能電池 12
(三)有機高分子/C60奈米複合材料太陽能電池 12
(四)染敏化太陽能電池 17
第二章 理論說明與文獻報導 19
V
2-1 染敏化太陽能電池基本結構 19
2-2 染敏化太陽能電池工作原理 21
2-3 二氧化鈦奈米結晶性多孔膜電極 25
2-3-1 二氧化鈦奈米顆粒的製備 26
2-3-2 二氧化鈦薄膜電極的製備 28
2-4 染敏化太陽能電池的染敏化劑 31
2-4-1無機染敏化劑 33
2-4-2 有機染敏化劑 35
(一)Coumarin 36
(二)Triarylamine 36
(三)Thiophene 37
(四) Porphyrin 38
(五)Dimethylfluorenylamino 39
2-5 電解質 40
2-6 太陽能電池-電壓輸出特性 41
2-7 研究動機 40
第三章 合成策略 44
第四章 結果與討論 51
4-1元件製程 51
VI
4-1-1二氧化鈦奈米顆粒製備 51
4-1-2二氧化鈦奈米顆粒塗佈於FTO上 51
4-1-3塗佈好的TiO2與染敏化染料結合 52
4-1-4電解液的製備 53
4-1-5染敏化太陽能電池元件製作 53
4-2 第一系列化合物之性質探討 54
4-2-1吸收光譜與電化學性質(第一系列) 54
4-2-2理論計算(第一系列) 59
4-2-3染敏化太陽能電池元件性質(第一系列) 63
4-3 第一系列化合物之性質探討 68
4-3-1吸收光譜與電化學性質(第二系列) 68
4-3-2理論計算(第二系列) 73
4-2-3染敏化太陽能電池元件性質(第一系列) 77
第五章 結論 85
實驗部分 86
實驗一般敘述 86
實驗步驟 89
參考文獻 141
光譜附圖 149
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