在過去的一二十年間，日益增加的能源需求以及對於全球暖化的關注正促使不污染環境的再生能源的發展，利用光伏打科技將太陽能轉換為電力提供一個永續的方法來解決上述議題。相較於目前市場上以矽基為主太陽能電池，染料敏化太陽能電池和有機太陽能電池都被視為有高度希望以及經濟合算的替代物。
文獻中已經有大部分的染料設計概念都是以D-π-A為主，而本文設計了兩款新穎染料，BPDTA、BTTA，以類螺旋結構的形式將兩個具有予體受體的發色基團綁定，其雙錨基距離為12.07 A (距離接近TiO2表面的活性中心距離)。以類螺旋結構為中心且帶有四條長碳鏈的雙錨基染料，設計原理是為了要抑制分子堆疊而發生自身猝滅的機率，其中BTTA染料效率高達6.86 %，在元件效率表現上相較於對照染料 (單錨基染料)好，此類型染料擁有強烈的吸附力及高消光係數，對於元件的長效性與效能皆能有正面的幫助。

Increasing energy demands and the impact of global warming have been arisen huge need of renewable energy from environmentally benign resources in the past few decades. Conversion of solar energy into electricity via photovoltaic technologies provide the sustainable approaches to satisfy these issues. Both of dye-sensitized solar cells (DSSCs) and organic solar cells (OSCs) have been regarded as highly promising and cost-effective alternatives to the market dominated by silicon-based counterparts.
A donor-(π-conjugated spacer)-acceptor (D-π-A) system is the most widely adopted molecular architecture for organic dyes in DSSCs. The new dyes, BPDTA、BTTA, featuring two donor/acceptor chromophores aligned in a spiro-like con&;#64257;guration with two anchoring groups separated at a distance of 12.07 A (closely matching the distance between the adsorption sites of the anatase TiO2 surface) , a spiro-like configured central unit, and four n-heaxyl chains to diminish intermolecular interactions and suppress molecular aggregation were synthesized for efficient DSSCs with a high PCE of 6.86 % . As compared to the rod-shape of the mono-anchoring D-π-A analogue dye, the cross shape of the bi-anchoring D-π-A branched dyes are highly-efficienct sensitizers for DSSCs. Furthermore, these dyes have highly binding affinity and extinction coefficient, which are two required factors to develop high efficiency DSSCs.

中文摘要 ii
Abstract iii
目錄 iv
圖目錄 vi
表目錄 ix
分子結構圖 x
第一章 緒論 1
1.1 背景 1
1.2 太陽光光譜 1
1.3 有機太陽能電池 3
1.4 染料敏化太陽能電池 (DSSCs) 5
1.4.1 DSSCs 發展 5
1.4.2 DSSCs 結構及原理介紹 5
1.4.3 DSSCs 一般染料設計及文獻回顧 7
1.5 參考文獻 16
第二章 雙錨基染料敏化太陽能電池 19
2.1 背景 19
2.2 分子設計與合成 29
2.2.1&;#21554;&;#21722;&;#39432;[2,3-b]&;#21652;唑為予體端之C型染料的分子 29
表 2 - 1：ICZDTA的元件參數 32
2.2.2 類螺旋結構之染料的分子設計 33
2.2.3 類螺旋結構之BPDTA的分子合成 34
2.2.3 類螺旋結構之BTTA的分子合成 36
2.3 電化學與光物理性質 40
表 2-2：D21L6、BPDTA、BTTA之電化學性質數據 43
2.4 元件分析與效率量測 45
表 2-3：類螺旋染料系列之太陽能電池元件數據表 46
2.5. 類螺旋染料BTTA的改良 54
2.5.1背景 54
2.5.2分子設計與合成 57
2.6 結論 60
2.7 參考文獻 61
第三章 實驗部分 66
3.1元件製作 66
3.2實驗與儀器 68
3.3參考文獻 91
附錄 92

CH1
參考文獻
1.五南出版社，有機與塑膠太陽能電池.
2.蘇家誼，國立台灣大學博士論文，新型有機染料的設計、合成與太陽能元件的應用，中華民國101年11月
3.陳嘉弘，國立台灣大學博士論文，具共平面性核心之新型共軛材料的合成、性質與應用，中華民國99年7月
4.K. Cnops, B. P. Rand, D. Cheyns, B. Verreet, M. A. Empl, P. Heremans, Nature Commun., 2014, 5, 3406.
5.Tang, C. W. Appl. Phy. Lett., 1986, 48, 183.
6.(a) Yu, G. Gao, J. Hummelen, J. Wudl, F. Heeger, A. J. Science., 1995, 270, 1789; (b) V. Gupta, A. K. K. Kyaw, D. H. Wang, S. Chand, G. C. Bazan, A. J. Heeger, Sci. Rep., 2013, 3, 1965.
7.(a) O’Reagan, B.; Gratzel, M. Nature 1991, 353, 737; (b) Vogel, H. The Chemical News and Journal of Industrial Science, 1873, 28, 318; (c) Gerische.H; Michelbe.Me; Rebentro.F; Tributsc.H Electrochim. Acta 1968, 13, 1509; (d) Tributsc.H Berich Bunsen Gesell 1969, 73, 582; (e) Fujishima, A.; Honda, K. Nature 1972, 238, 37; (f) Tsubomura, H.; Matsumura, M.; Nomura, Y.; Amamiya, T. Nature 1976, 261, 402; (g) Oregan, B.; Gratzel, M. Nature 1991, 353, 737.
8. (a) Ooyama, Y.; Harima, Y. Eur. J. Org. Chem. 2009, 2903; (b) Mishra, A.; Fischer, M. K. R.; Bauerle, P. Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 2474; (c) Ning, Z.; Tian, H. Chem. Commun., 2008, 5483; (d) Nazeeruddin, M. K.; Kay, A.; Rodicio, I.; Humphrybaker, R.; Muller, E.; Liska, P.; Vlachopoulos, N.; Gratzel, M. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 6382; (e) Hagfeldt, A.; Gratzel, M. Chem. Rev. 1995, 95, 49; (f) Kroeze, J. E.; Hirata, N.; Koops, S. E.; Nazeeruddin, M. K.; Schmidt-Mende, L.; Gratzel, M.; Durrant, J. R. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 16376.
9.Tributsch, H. An Electrochemical Method for the Study of Spectral Sensitization and Heterogeneous Photochemical Reactions at ZnO Electrodes, Ph.D. Thesis, Technical University of Munich, 1968.
10.Kim, S.; Lee, J. K.; Kang, S. O.; Ko., J.; Yum, J. H.; Fantacci, S.; De Angelis, F.; Di Censo, D.; Nazeeruddin, M. K.; Gratzel, M. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 16701.
11.Choi, H.; Baik, C.; Kang, S. O.; Ko, J.; Kang, M.-S.; Nazeeruddin, M. K.; Gratzel, M. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 327.
12.Choi, H.; Raabe, I.; Kim, D.; Teocoli, F.; Kim, C.; Song, K.; Yum, J.-H.; Ko, J.; Nazeeruddin, M. K.; Gratzel, M. Chem. Eur. J. 2010, 16, 1193.
13.Xu, M.; Qin, H, Gao, F.; Wang, P.; Zackruding, Z.; Greyson, M. Faming Zhuanli Shenqing Gongkai Shuomingshu 2008, 42pp.
14.Zeng, W.; Cao, Y.; Bai, Y.; Wang, Y.; Shi, Y.; Zhang, M.; Wang, F.; Pan, C.; Wang, P. Chem. Mater. 2010, 22, 1915.
15.(a) Yella, A.; Lee, H.-W.; Tsao, H. N.; Yi, C.; Chandiran, A. K.; Nazeeruddin, M. K.; Diau, E. W.-G.; Yeh, C.-Y.; Zakeeruddin, S. M.; Graetzel, M. Science 2011, 334, 629; (b) Bessho, T.; Zakeeruddin, S. M.; Yeh, C.-Y.; Diau, E. W.-G.; Graetzel, M. Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 6646.
16.(a) Lin, L.-Y.; Tsai, C.-H.; Wong, K.-T.; Huang, T.-W.; Wu, C.-C.; Chou, S.-H.; Lin, F.; Chen, S.-H.; Tsai, A.-I. J. Mater. Chem. 2011, 21, 5950; (b) Lin, L.-Y.; Tsai, C.-H.; Wong, K.-T.; Huang, T.-W.; Hsieh, L.; Liu, H.-W.; Wu, C.-C.; Chou, S.-H.; Chen, S.-H.; Tsai, A.-I. J. Org. Chem. 2010, 75, 4778
17.(a) Yum, J.-H.; Hagberg, D. P.; Moon, S.-J.; Karlsson, K. M.; Marinado, T.; Sun, L.; Hagfeldt, A.; Nazeeruddin, M. K.; Gratzel, M. Angew. Chem., Int. Ed., 2009, 48, 1576; (b) Moon, S.; Yum, J.; Humphry-Baker, R.; Karlsson, K. M.; Hagberg, D. P.; Marinado, T.; Hagfeldt, A.; Sun, L.; Gratzel, M.; Nazeeruddin, M. K. J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 16816; (c) Ahmad, S.; Dell’orto, E.; Yum, J. H.; Kessler, F.; Nazeeruddin, M. K.; Gratzel, M. Chem. Commun., 2012, 48, 9714

CH2
參考文獻
1. (a) Hagfeldt, A.; Gratzel, M. Acc. Chem. Res. 2000, 33, 269; (b) Shklover, V.; Ovchinnikov, Y. E.; Braginsky, L. S.; Zakeeruddin, S. M.; Gratzel, M. Chem. Mater. 1998, 10, 2533.
2.Koops, S. E.; Barnes, P. R. F.; O''Regan, B. C.; Durrant, J. R. J. Phys. Chem. C 2010, 114, 8054.
3.(a) Park, S. S.; Won, Y. S.; Choi, Y. C.; Kim, J. H. Energy Fuels 2009, 23, 3732; (b) Sahu, D.; Padhy, H.; Patra, D.; Yin, J.-F.; Hsu, Y.-C.; Lin, J.-T. S.; Lu, K.-L.; Wei, K.-H.; Lin, H.-C. Tetrahedron 2011, 67, 303; (c) Wu, T. Y.; Tsao, M. H.; Su, S. G.; Wang, H. P.; Lin, Y. C.; Chen, F. L.; Chang, C. W.; Sun, I. W. J. Brazil. Chem. Soc. 2011, 22, 780.
4.(a) Tan, S.; Zhai, J.; Fang, H.; Jiu, T.; Ge, J.; Li, Y.; Jiang, L.; Zhu, D. Chem. Eur. J. 2005, 11, 6272; (b) Won, Y. S.; Yang, Y. S.; Kim, J. H.; Ryu, J.-H.; Kim, K. K.; Park, S. S. Energy Fuels 2010, 24, 3676.
5.(a) Li, Q.; Shi, J.; Li, H.; Li, S.; Zhong, C.; Guo, F.; Peng, M.; Hua, J.; Qin, J.; Li, Z. J. Mater. Chem. 2012, 22, 6689; (b) Heredia, D.; Natera, J.; Gervaldo, M.; Otero, L.; Fungo, F.; Lin, C. Y.; Wong, K. T. Org. Lett. 2010, 12, 12. (c) Ren, X.; Jiang, S.; Cha, M.; Zhou, G.; Wang, Z.-S. Chem. Mater. 2012, 24, 3493; (d) X. Lu, X. Jia, Z.-S. Wang, G. Zhou, J. Mater. Chem. A 2013, 1, 9697; (e) L. Macor, M. Gervaldo, F. Fungo, L. Otero, T. Dittrich, C.-Y. Lin, L.-C. Chi, F.-C. Fang, S.-W. Lii, K.-T. Wong, C.-H. Tsai, C.-C. Wu, RSC Adv. 2012, 2, 4869; (f) H.-C. Ting, C.-H. Tsai, J.-H. Chen, L.-Y. Lin, S.-H. Chou, K.-T. Wong, T.-W. Huang, C.-C. Wu, Org. Lett. 2012, 14, 6338.
6.(a) Abbotto, A.; Leandri, V.; Manfredi, N.; De Angelis, F.; Pastore, M.; Yum, J.-H.; Nazeeruddin, M. K.; Gratzel, M. Eur. J. Org. Chem. 2011, 2011, 6195; (b) Abbotto, A.; Manfredi, N.; Marinzi, C.; De Angelis, F.; Mosconi, E.; Yum, J.-H.; Xianxi, Z.; Nazeeruddin, M. K.; Gratzel, M. Energy &; Environmental Science 2009, 2, 1094; (c) M. Ishida, S. W. Park, D. Hwang, Y. B. Koo, J. L. Sessler, D. Y. Kim, D. Kim, J. Phys. Chem. C 2011, 115, 19343; (d) Hong, Y.; Liao, J. Y.; Cao, D.; Zang, X.; Kuang, D. B.; Wang, L.; Meier, H.; Su, C. Y. J. Org. Chem. 2011, 76, 8015; (e) J. Liu, J. Zhang, M. Xu, D. Zhou, X. Jing, P. Wang, Energy Environ. Sci. 2011, 4, 3021; (f) Sirohi, R.; Kim, D. H.; Yu, S.-C.; Lee, S. H. Dyes Pigm. 2012, 92, 1132; (g) K. D. Seo, B. S. You, I. T. Choi, M. J. Ju, M. You, H. S. Kang, H. K. Kim, ChemSusChem 2013, 6, 2069.
7.(a) Li, Y. N.; Wu, Y. L.; Ong, B. S. Macromolecules 2006, 39, 6521; (b) Boudreault, P. L. T.; Wakim, S.; Blouin, N.; Simard, M.; Tessier, C.; Tao, Y.; Leclerc, M. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 9125; (c) Zhang, X. H.; Wang, Z. S.; Cui, Y.; Koumura, N.; Furube, A.; Hara, K. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 13409; (d) Jiang, H.; Zhao, H.; Zhang, K. K.; Chen, X.; Kloc, C.; Hu, W. Adv Mater 2011, 23, 5075. (a) Yudina, L. N.; Bergman, J. Tetrahedron 2003, 59, 1265. (b) Gu, R.; Hameurlaine, A.; Dehaen, W. J. Org. Chem. 2007, 72, 7207. (c) Gu, R.; Hameurlaine, A.; Dehaen, W. Synlett 2006, 1535. (d) Gu, R.; Van Snick, S.; Robeyns, K.; Van Meervelt, L.; Dehaen, W. Org. Biomol. Chem. 2009, 7, 380. (4) Deb, M. I.; Baruah, B.; Bhuyan, P. J. Synthesis, 2008, 2, 286.
8.(a) Grotta, H. M.; Bearse, A. E.; Riggle, C. J. J. Org. Chem. 1961, 26, 1509. (b) Kistenmacher, A.; Mullen, K. J. Heterocycl. Chem. 1992, 29, 1237. (c) Knolker, H. J.; Reddy, K. R. Tetrahedron Lett. 1998, 39, 4007. (d) Knolker, H. J.; Reddy, K. R. Tetrahedron 2000, 56, 4733.
9.(a) Kawaguchi, K.; Nakano, K.; Nozaki, K. J. Org. Chem. 2007, 72, 5119; (b) Campeau, L. C.; Parisien, M.; Jean, A.; Fagnou, K. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 581; (c) Zhen, Y. G.; Qian, H. L.; Xiang, J. F.; Qu, J. Q.; Wang, Z. H. Org. Lett. 2009, 11, 3084.
10.(a) Espinet, P.; Echavarren, A. M. Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 4704; (b) Mee, S. P.; Lee, V.; Baldwin, J. E. Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 1132.
11.P. Gao, H. N. Tsao, M. Gratzel, M. K. Nazeeruddin, Org. Lett., 2012, 14, 4330
12.Hardin, B. E.; Snaith, H. J.; McGehee, M. D. Nat. Photonics, 2012, 6, 162.
13.Tang, J.; Hua, J.; Wu, W.; Li, J.; Jin, Z.; Long, Y. Tian, H. Energy Environ. Sci. 2010, 3, 1736.
14.P. Kautny, D. Lumpi, Y. Wang, A. Tissot, J. Bintinger, E. Horkel, B. Stoger, C. Hametner, H. Hagemann, D. Ma, J. Frohlich, J. Mater. Chem. C, 2014, 2, 2069; (b) Hao, Y.; Yang, X.; Cong, J.; Tian, H.; Hagfeldt, A.; Sun, L. Chem. Commun., 2009, 4031.
15.(a) Finnie, K. S.; Bartlett, J. R.; Woolfrey, J. L. Langmuir 1998, 14, 2744; (b) Argazzi, R.; Bignozzi, C. A.; Heimer, T. A.; Castellano, F. N.; Meyer, G. J. Inorg. Chem. 1994, 33, 5741; (c) Tian, H.; Yang, X.; Chen, R.; Zhang, R.; Hagfeldt, A.; Sun, L. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 11023; (d) M. K. Nazeeruddin, R. Humphry-Baker, P. Liska, M. Gratzel, J. Phys. Chem. B 2003, 107, 8981
16.(a) H. Tian, X. Yang, R. Chen, L. Li, A. Hagfeldt, L. Sun, Chem. Commun. 2007, 3741; (b) W. Wu, J. Yang, J. Hua, J. Tang, L. Zhang, Y. Long, H. Tian, J. Mater. Chem. 2010, 20, 1772.
17.(a ) D. Kim, J. K. Lee, S. O. Kang, J. Ko, J. H. Yum, S. Fantacci, F. DeAngelis, D. DiCenso, M. K. Nazeeruddin, M. Gratzel, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 16701; (b) I. Jung, J. K. Lee, K. H. Song, S. O. Kang, J. Ko, J. Org. Chem. 2007, 72, 3652; (c) H. Choi, J.-J. Kim, K. Song, J. Ko, M. K. Nazeeruddin, M. Gratzel, J. Mater. Chem. 2010, 20, 3280; (d) H. Choi, C. Baik, S. O. Kang, J. Ko, M. S. Kang, M. K. Nazeeruddin, M. Gratzel, Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 327.
18.(a) D. P. Hagberg, T. Edvinsson, T. Marinado, G. Boschloo, A. Hagfeldt, L. Sun, Chem. Commun. 2006, 2245; (b) S. Hwang, J. H. Lee, C. Park, H. Lee, C. Kim, C. Park, M. H. Lee, W. Lee, J. Park, K. Kim, N. G. Park, C. Kim, Chem. Commun. 2007, 4887; (c) D. P. Hagberg, T. Marinado, K. M. Karlsson, K. Nonomura, P. Qin, G. Boschloo, T. Brinck, A. Hagfeldt, L. Sun, J. Org. Chem. 2007, 72, 9550; (d) M. Liang, W. Xu, F. Cai, P. Chen, B. Peng, J. Chen, Z. Li, J. Phys. Chem. C 2007, 111, 4465; (e) M. Velusamy, J. Thomas, J. T. Lin, Y. C. Hsu, K. C. Ho, Org. Lett. 2005, 7, 1899–1902; (f) Z. Ning, Q. Zhang, W. Wu, H. Pei, B. Liu, H. Tian, J. Org. Chem. 2008, 73, 3791; (g) T. Kitamura, M. Ikeda, K. Shigaki, T. Inoue, N. A. Anderson, T. Lian, S. Yanagida, Chem. Mater. 2004, 16, 1806.
19.(a) Ko, S.; Choi, H.; Kang, M.-S.; Hwang, H.; Ji, H.; Kim, J.; Ko, J.; Kang, Y. J. Mater. Chem. 2010, 20, 2391; (b) Qin, H.; Wenger, S.; Xu, M.; Gao, F.; Jing, X.; Wang, P.; Nazeeruddin, M. K.; Gratzel, M. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 9202; (c) L.-Y. Lin; C.-H. Tsai; K.-T. Wong; T.-W. Huang; L. Hsieh; S.-H. Liu; H.-W. Lin; C.-C. Wu; S.-H. Chou; S.-H. Chen; A.-I. Tsai J. Org. Chem. 2010 , 75, 4778.
20.(a) Wu, Y.-Z.; Zhu, W.-H. Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 2039; (b) W. Zhu, Y. Wu, S. Wang, W. Li, X. Li, J. Chen, Z. Wang, H. Tian, Adv. Funct. Mater. 2011, 21, 756; (c) Y. Cui, Y. Wu, X. Lu, X. Zhang, G. Zhou, F. B. Miapeh, W. Zhu, Z. Wang, Chem. Mater. 2011, 23, 4394; (d) K. Pei, Y. Wu, W. Wu, Q. Zhang, B. Chen, H. Tian, W. Zhu, Chem. Eur. J. 2012, 18, 8190; (e) M. Miyashita, K. Sunahara, T. Nishikawa, Y. Uemura, N. Koumura, K. Hara, A. Mori, Y. Abe, E. Suzuki, S. Mori, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 17874.
21.Lin, L.-Y.; Tsai, C.-H.; Wong, K.-T.; Huang, T.-W.; Wu, C.-C.; Chou, S.-H.; Lin, F.; Chen, S.-H.; Tsai, A.-I. J. Mater. Chem. 2011, 21, 5950.
22.(a) Noe, M. S.; Rios, A. C.; Tor, Y. Org. Lett. 2012, 14, 3150; (b) P. Kautny, D. Lumpi, Y. Wang, A. Tissot, J. Bintinger, E. Horkel, B. Stoger, C. Hametner, H. Hagemann, D. Ma, J. Frohlich, J. Mater. Chem. C , 2014, 2, 2069

CH3
1.Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Scalmani, G.; Barone, V.; Mennucci, B.; Petersson, G. A.; et al. Gaussian 09, revision A.02; Gaussian, Inc.: Wallingford, CT, 2009.
2.Su,J. Y.; Lo, C. Y.; Tsai, C. H.; Chen, C H.; Chou, S. H.; Liu, S. H.; Chou, P. T.; Wong, K. T. Org. Lett., 2014, 16, 3176.
3.Wang, Y. G.; Wang, Z. H.; Zhao, D. F.; Wang, Z.; Cheng, Y. X.; Wang, H. SYNLETT. 2007, 15, 2390