臺灣博碩士論文加值系統

染料敏化太陽能電池，具高光電轉換效率、低製造成本、透光性、可撓曲性等優點，是目前熱門的研究項目之一。參考我們實驗室先前所合成的染料CBTR，發現利用N-heterocyclic carbene配位基(簡稱NHC Ligand)取代傳統Bipyridine所合成出的染料具有不錯的光電轉換效率表現。因此在我的研究當中，是利用NHC-pyridine Ligand為基礎架構，加入噻吩來延伸染料的共軛系統並引入飽和長碳鏈增加元件穩定性，並接上不同的配位基進行探討，合成出染料CI123與CI124。同時我也合成Bipyridine-ligand-free 的染料DC106，利用兩片不同的NHC Ligand合成出Dicarbene的染料。

Dye-sensitized solar cells (DSSCs) have been considered as a significant source of electricity for their high power conversion efficiency with relatively low cost, and their designing flexibility. Here we report novel N-heterocyclic carbene (NHC)-pyridine ruthenium complexes CI123 and CI124, compared to previously reported CBTR. We have carried out structural modifications on previously reported strong electron donating N-heterocyclic carbene ancillary ligand by incorporating 2-thiophencarboxylic unit on the pyridine ring, thus making it as new carbene based anchoring ligands. Simultaneously, we also synthesized bipyridine-ligand-free dye in which two unsymmetrical NHC-pyridine ligands along with two NCS ligands were utilized to complex with ruthenium metal to form new DC106 sensitizer.

中文摘要 i
英文摘要 ii
謝誌 iii
目錄 iv
圖目錄 vii
表目錄 x
一、緒論 1
1-1 前言 1
1-2 太陽能電池的發展與種類 6
1-2-1 矽晶太陽能電池 7
1-2-2 化合物形式太陽能電池 10
1-2-3 有機化合物薄膜太陽能電池 11
1-3 染料敏化太陽能電池 13
1-3-1 基本構造 13
1-3-2 元件製程 15
1-3-3 工作原理 16
1-3-4 半導體電極 18
1-3-5 電解質的組成 19
1-3-6 光敏化染料 21
1-3-7 太陽能電池電壓-電流輸出特性 24
1-3-8 釕金屬光敏染料文獻探討 27
1-3-9 N-Heterocyclic Carbene 39
二、結構設計概念與動機 41
2-1 結構設計概念與動機 41
2-2 合成及討論 49
2-2-1 合成策略及結構探討 49
2-2-2 光物理性質研究及探討 55
2-2-3 電化學特性研究及探討 56
2-2-4 染料軌域計算 59
2-3 結論 61
2-4 實驗步驟與光譜數據 62
三、材料及儀器 82
3-1 實驗藥品 82
3-2 實驗儀器 82
3-2-1 核磁共振光譜儀（Nuclear magnetic resonance spectroscopy） 82
3-2-2 紫外光-可見光譜儀（UV-vis spectrophotometer） 83
3-2-3高解析質譜儀（High Resolution Mass Spectrometer） 83
3-2-4元素分析儀 (Elemental Analyzer) 84
3-2-5電化學分析儀 Electrochemical Analyzer (CH Instruments) 84
參考文獻 85
附錄 89

(1) Green, M. A.; Emery, K.; Hishikawa, Y.; Warta, W.; Dunlop, E. D. Prog. Photovolt: Res. Appl. 2014, 22, 1.
(2) Grätzel, M. Inorg. Chem. 2005, 44, 6841.
(3) Oster, G.; Bellin, J. S.; Kimball, R. W.; Schrader, M. E. J. Am. Chem. Soc. 1959, 81, 5095.
(4) Chaberek, S.; Allen, R. J. J. Phys. Chem. 1965, 69, 647.
(5) Chaberek, S.; Allen, R. J.; Goldberg, G. J. Phys. Chem. 1965, 69, 2834.
(6) Chaberek, S.; Allen, R. J.; Shepp, A. J. Phys. Chem. 1965, 69, 2842.
(7) Chaberek, S.; Shepp, A.; Allen, R. J. J. Phys. Chem. 1965, 69, 641.
(8) Balasubramanian, D. J. Am. Chem. Soc. 1967, 89, 5445.
(9) Kearns, D. R.; Hollins, R. A.; Khan, A. U.; Radlick, P. J. Am. Chem. Soc. 1967, 89, 5456.
(10) Tsubomura, H.; Matsumura, M.; Nomura, Y.; Amamiya, T. Nature 1976, 261, 402.
(11) O'Regan, B.; Grätzel, M. Nature 1991, 353, 737.
(12) Durrant, J. R.; Haque, S. A. Nat. Mater. 2003, 2, 362.
(13) Reynal, A.; Palomares, E. Eur. J. Inorg. Chem. 2011, 2011, 4509.
(14) Grätzel, M. Nature 2001, 414, 338.
(15) Wang, Z.-S.; Sayama, K.; Sugihara, H. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 22449.
(16) Oskam, G.; Bergeron, B. V.; Meyer, G. J.; Searson, P. C. J. Phys. Chem. B 2001, 105, 6867.
(17) Bergeron, B. V.; Marton, A.; Oskam, G.; Meyer, G. J. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 937.
(18) Wang, P.; Zakeeruddin, S. M.; Moser, J.-E.; Humphry-Baker, R.; Grätzel, M. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 7164.
(19) Chen, C.-L.; Chang, T.-W.; Teng, H.; Wu, C.-G.; Chen, C.-Y.; Yang, Y.-M.; Lee, Y.-L. Phys. Chem. Chem. Phys. 2013, 15, 3640.
(20) Lin, C.-Y.; Teng, C.-Y.; Li, T.-L.; Lee, Y.-L.; Teng, H. J. Mater. Chem. A 2013, 1, 1155.
(21) Wang, M.; Moon, S.-J.; Zhou, D.; Le Formal, F.; Cevey-Ha, N.-L.; Humphry-Baker, R.; Grätzel, C.; Wang, P.; Zakeeruddin, S. M.; Grätzel, M. Adv. Funct. Mater. 2010, 20, 1821.
(22) Kubo, W.; Kambe, S.; Nakade, S.; Kitamura, T.; Hanabusa, K.; Wada, Y.; Yanagida, S. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 4374.
(23) Nakade, S.; Kanzaki, T.; Kubo, W.; Kitamura, T.; Wada, Y.; Yanagida, S. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 3480.
(24) Fredin, K.; Nissfolk, J.; Boschloo, G.; Hagfeldt, A. J. Electroanal. Chem. 2007, 609, 55.
(25) Pelet, S.; Moser, J.-E.; Grätzel, M. J. Phys. Chem. B 2000, 104, 1791.
(26) Koops, S. E.; O’Regan, B. C.; Barnes, P. R. F.; Durrant, J. R. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 4808.
(27) Kelly, C. A.; Farzad, F.; Thompson, D. W.; Stipkala, J. M.; Meyer, G. J. Langmuir 1999, 15, 7047.
(28) Haque, S. A.; Tachibana, Y.; Willis, R. L.; Moser, J. E.; Grätzel, M.; Klug, D. R.; Durrant, J. R. J. Phys. Chem. B 1999, 104, 538.
(29) Kopidakis, N.; Benkstein, K. D.; van de Lagemaat, J.; Frank, A. J. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 11307.
(30) Schwarz, O.; van Loyen, D.; Jockusch, S.; J. Turro, N.; Dürr, H. J. Photochem. Photobiol. A-Chem. 2000, 132, 91.
(31) Gillaizeau-Gauthier, I.; Odobel, F.; Alebbi, M.; Argazzi, R.; Costa, E.; Bignozzi, C. A.; Qu, P.; Meyer, G. J. Inorg. Chem. 2001, 40, 6073.
(32) Wang, P.; Klein, C.; Moser, J.-E.; Humphry-Baker, R.; Cevey-Ha, N.-L.; Charvet, R.; Comte, P.; Zakeeruddin, S. M.; Grätzel, M. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 17553.
(33) Li, S.-F.; Yang, X.-C.; Cheng, M.; Zhao, J.-H.; Wang, Y.; Sun, L.-C. Tetrahedron Lett. 2012, 53, 3425.
(34) Wang, P.; Zakeeruddin, S. M.; Moser, J. E.; Nazeeruddin, M. K.; Sekiguchi, T.; Grätzel, M. Nat. Mater. 2003, 2, 402.
(35) Ferrere, S. Chem. Mater. 2000, 12, 1083.
(36) Argazzi, R.; Larramona, G.; Contado, C.; Bignozzi, C. A. J. Photochem. Photobiol. A-Chem. 2004, 164, 15.
(37) Islam, A.; Sugihara, H.; Hara, K.; Singh, L. P.; Katoh, R.; Yanagida, M.; Takahashi, Y.; Murata, S.; Arakawa, H.; Fujihashi, G. Inorg. Chem. 2001, 40, 5371.
(38) Anderson, S.; Constable, E. C.; Dare-Edwards, M. P.; Goodenough, J. B.; Hamnett, A.; Seddon, K. R.; Wright, R. D. Nature 1979, 280, 571.
(39) Desilvestro, J.; Grätzel, M.; Kavan, L.; Moser, J.; Augustynski, J. J. Am. Chem. Soc. 1985, 107, 2988.
(40) Nazeeruddin, M. K.; Kay, A.; Rodicio, I.; Humphry-Baker, R.; Mueller, E.; Liska, P.; Vlachopoulos, N.; Grätzel, M. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 6382.
(41) Nazeeruddin, M. K.; Zakeeruddin, S. M.; Humphry-Baker, R.; Jirousek, M.; Liska, P.; Vlachopoulos, N.; Shklover, V.; Fischer, C.-H.; Grätzel, M. Inorg. Chem. 1999, 38, 6298.
(42) Grätzel, M. Inorg. Chem. 2005, 44, 6841.
(43) Nazeeruddin, M. K.; De Angelis, F.; Fantacci, S.; Selloni, A.; Viscardi, G.; Liska, P.; Ito, S.; Takeru, B.; Grätzel, M. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 16835.
(44) Nazeeruddin, M. K.; Pechy, P.; Grätzel, M. Chem. Commun. 1997, 0, 1705.
(45) Péchy, P.; Renouard, T.; Zakeeruddin, S. M.; Humphry-Baker, R.; Comte, P.; Liska, P.; Cevey, L.; Costa, E.; Shklover, V.; Spiccia, L.; Deacon, G. B.; Bignozzi, C. A.; Grätzel, M. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 1613.
(46) Grätzel, M. Acc. Chem. Res. 2009, 42, 1788.
(47) Mishra, A.; Fischer, M. K. R.; Bäuerle, P. Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 2474.
(48) Wang, P.; Zakeeruddin, S. M.; Exnar, I.; Grätzel, M. Chem. Commun. 2002, 0, 2972.
(49) Wang, P.; Zakeeruddin, S. M.; Humphry-Baker, R.; Moser, J. E.; Grätzel, M. Adv. Mater. 2003, 15, 2101.
(50) Wang, P.; Zakeeruddin, S. M.; Moser, J. E.; Humphry-Baker, R.; Comte, P.; Aranyos, V.; Hagfeldt, A.; Nazeeruddin, M. K.; Grätzel, M. Adv. Mater. 2004, 16, 1806.
(51) Wang, P.; Klein, C.; Humphry-Baker, R.; Zakeeruddin, S. M.; Grätzel, M. J. Am. Chem. Soc. 2004, 127, 808.
(52) Nazeeruddin, M. K.; Wang, Q.; Cevey, L.; Aranyos, V.; Liska, P.; Figgemeier, E.; Klein, C.; Hirata, N.; Koops, S.; Haque, S. A.; Durrant, J. R.; Hagfeldt, A.; Lever, A. B. P.; Grätzel, M. Inorg. Chem. 2005, 45, 787.
(53) Kuang, D.; Klein, C.; Ito, S.; Moser, J.-E.; Humphry-Baker, R.; Zakeeruddin, S. M.; Grätzel, M. Adv. Funct. Mater. 2007, 17, 154.
(54) Fei, Z.; Kuang, D.; Zhao, D.; Klein, C.; Ang, W. H.; Zakeeruddin, S. M.; Grätzel, M.; Dyson, P. J. Inorg. Chem. 2006, 45, 10407.
(55) Kuang, D.; Klein, C.; Ito, S.; Moser, J. E.; Humphry-Baker, R.; Evans, N.; Duriaux, F.; Grätzel, C.; Zakeeruddin, S. M.; Grätzel, M. Adv. Mater. 2007, 19, 1133.
(56) Chen, C.-Y.; Wu, S.-J.; Wu, C.-G.; Chen, J.-G.; Ho, K.-C. Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 5822.
(57) Chen, C. Y.; Wu, S. J.; Li, J. Y.; Wu, C. G.; Chen, J. G.; Ho, K. C. Adv. Mater. 2007, 19, 3888.
(58) Chen, C.-Y.; Chen, J.-G.; Wu, S.-J.; Li, J.-Y.; Wu, C.-G.; Ho, K.-C. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 7342.
(59) Gao, F.; Wang, Y.; Shi, D.; Zhang, J.; Wang, M.; Jing, X.; Humphry-Baker, R.; Wang, P.; Zakeeruddin, S. M.; Grätzel, M. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 10720.
(60) Gao, F.; Wang, Y.; Zhang, J.; Shi, D.; Wang, M.; Humphry-Baker, R.; Wang, P.; Zakeeruddin, S. M.; Grätzel, M. Chem. Commun. 2008, 0, 2635.
(61) Shi, D.; Pootrakulchote, N.; Li, R.; Guo, J.; Wang, Y.; Zakeeruddin, S. M.; Grätzel, M.; Wang, P. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 17046.
(62) Cao, Y.; Bai, Y.; Yu, Q.; Cheng, Y.; Liu, S.; Shi, D.; Gao, F.; Wang, P. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 6290.
(63) Gao, F.; Cheng, Y.; Yu, Q.; Liu, S.; Shi, D.; Li, Y.; Wang, P. Inorg. Chem. 2009, 48, 2664.
(64) Klein, C.; Nazeeruddin, M. K.; Liska, P.; Di Censo, D.; Hirata, N.; Palomares, E.; Durrant, J. R.; Grätzel, M. Inorg. Chem. 2004, 44, 178.
(65) Jang, S.-R.; Yum, J.-H.; Klein, C.; Kim, K.-J.; Wagner, P.; Officer, D.; Grätzel, M.; Nazeeruddin, M. K. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 1998.
(66) Garrison, J. C.; Youngs, W. J. Chem. Rev. 2005, 105, 3978.
(67) Arduengo, A. J.; Harlow, R. L.; Kline, M. J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 361.
(68) Trnka, T. M.; Grubbs, R. H. Acc. Chem. Res. 2001, 34, 18.
(69) Grubbs, R. H. Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 3760.
(70) Colacino, E.; Martinez, J.; Lamaty, F. Coord. Chem. Rev. 2007, 251, 726.
(71) Scholl, M.; Ding, S.; Lee, C. W.; Grubbs, R. H. Org. Lett. 1999, 1, 953.
(72) Chang, W.-C.; Chen, H.-S.; Li, T.-Y.; Hsu, N.-M.; Tingare, Y. S.; Li, C.-Y.; Liu, Y.-C.; Su, C.; Li, W.-R. Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 8161.
(73) Chen, H.-S.; Chang, W.-C.; Su, C.; Li, T.-Y.; Hsu, N.-M.; Tingare, Y. S.; Li, C.-Y.; Shie, J.-H.; Li, W.-R. Dalton Trans. 2011, 40, 6765.
(74) Chang, W.-C.; Su, C.; Ho, S.-Y.; Prabakaran, K.; Tingare, Y. S.; Li, C.-Y.; Li, T.-Y.; Tsai, S.-H.; Li, W.-R. J. Mater. Chem. A 2013, 1, 8716.
(75) Mishra, A.; Pootrakulchote, N.; Fischer, M. K. R.; Klein, C.; Nazeeruddin, M. K.; Zakeeruddin, S. M.; Bauerle, P.; Grätzel, M. Chem. Commun. 2009, 7146.
(76) Mishra, A.; Pootrakulchote, N.; Wang, M.; Moon, S.-J.; Zakeeruddin, S. M.; Grätzel, M.; Bäuerle, P. Adv. Funct. Mater. 2011, 21, 963.
(77) Cvetovich, R. J.; Reamer, R. A.; DiMichele, L.; Chung, J. Y. L.; Chilenski, J. R. J. Org. Chem. 2006, 71, 8610.
(78) Wang, H. M. J.; Lin, I. J. B. Organometallics 1998, 17, 972.