利用交叉脫氫耦合反應快速製備各式D-π-A有機染料分子：C-H/C-H合成法研究與其在染料敏化太陽能電池之應用

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邱彥勛(Yan-Syun Ciou) 查詢紙本館藏

畢業系所

化學工程與材料工程學系

論文名稱

利用交叉脫氫耦合反應快速製備各式D-π-A有機染料分子：C-H/C-H合成法研究與其在染料敏化太陽能電池之應用
(Cross-Dehydrogenative Coupling (CDC) as Key-Transformations to Various D-π-A Organic Dyes: C-H/C-H Synthetic Study and Dye-Sensitized Solar Cells Applications)

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摘要(中)

在染料敏化太陽能電池中，全有機染料分子扮演非常關鍵的角色，而目前染料分子的合成方式主要經由多步驟的傳統合成法。本研究提出染料分子新的合成途徑，利用推電子 (Donor) 與拉電子 (Acceptor) 末端基上質子的酸度差異，進行鈀催化之交叉脫氫耦合反應(Cross-Dehydrogenative Coupling) ，合成各式非對稱D-π-A有機染料分子，此合成法不需在反應物上進行任何官能基化步驟，並具有優異的反應選擇性與官能基容忍度，為一具有高步驟經濟效益之染料合成法。

根據我們的合成方法，製備出三項新型的有機染料 (CYL-8, CTL-9, CYL-10)，並組裝成染料敏化太陽能電池 (DSSCs) 的元件，所測得電池元件數據開路電壓為 (Voc) 0.62~0.68 V、短路電流 (Jsc) 5.51~10.10 mA/cm2、填充因子 (FF) 62.5~73.9 %、光電轉換效率 (PCE) 2.25~4.85 %。本研究提供了更快速的有機染料合成法，使得染料敏化太陽能電池的應用更具競爭力。

摘要(英)

Palladium-catalyzed cross-dehydrogenative coupling between donor and acceptor-type molecules was developed for the first time to construct organic donor-π-linker-acceptor (D-π-A) dyes in the presence of pyridine and Cu(OAc)2. The advantages of this reaction are its high reaction efficiency, high regioselectivities, excellent functional group tolerance, and synthetic simplicity from the omission of the pre-functionalization. The features of this protocol make it an ideal strategy for synthesizing D-π-A dyes of interest in dye-sensitized solar cells (DSSCs).

Through our methodology, three new sensitizers (CYL-8, CYL-9, and CYL-10) were prepared and employed to fabricate DSSCs. The photovoltaic characterization of the devices affords a Voc of 0.62-0.68 V, a Jsc of 5.51-10.10 mA/cm2, and a FF of 62.5-73.9 %, which correspond to an overall power conversion efficiency of 2.25-4.85 %. Our aim of presenting this method was to provide practical and step-saving access to various of D-π-A-type molecules for photovoltaic applications.

關鍵字(中)

★ 染料敏化太陽能電池
★ 交叉脫氫耦合反應
★ D-π-A有機染料分子
★ C-H/C-H合成法

關鍵字(英)

★ Dye-Sensitized Solar Cells
★ Cross-Dehydrogenative Coupling
★ D-π-A Organic Dyes
★ C-H/C-H Synthetic Study

論文目次

摘要 i
Abstract ii
謝誌 iii
目錄 iv
圖目錄 vi
表目錄 vii
化合物對照表 viii
一、緒論 1
1-1 太陽能源 1
1-2 太陽能電池 2
1-3 染料敏化太陽能電池 5
1-4 光敏化劑 5
1-5 染料敏化太陽能電池的種類 6
1-6 不含金屬之D-π-A有機染料 10
1-7 不含金屬之D-A-π-A有機染料 15
1-8 有機染料之合成方法 17
二、研究動機 21
三、結果與討論 27
3-1 尋找交叉脫氫耦合反應(Cross-Dehydrogenative Coupling, CDC) 之最佳化反應條件 27
3-1-1 探討不同鹼對C-H/C-H芳香環化產率之影響 28
3-1-2 探討不同氧化劑對C-H/C-H芳香環化產率之影響 30
3-1-3 探討不同溶劑對C-H/C-H芳香環化產率之影響 32
3-2 合成各式非對稱推拉 (push-pull type) 有機染料分子 34
3-2-1 合成各式不同電子予體有機染料分子 34
3-2-2 改善最佳化條件 45
3-2-3 合成各式不同電子受體有機染料分子 49
3-3 反應機制之探討 54
3-4 有機染料之合成與應用 56
四、結論與展望 66
五、儀器設備 67
六、合成步驟與化合物鑑定 70
6-1 起始物之合成與鑑定 70
6-2 Table 1-1之合成與鑑定 80
6-3 Table 2-1-1至2-1-7與5a-c之合成與鑑定 82
6-4 染料CYL-8, CYL-9, CYL-10 之合成與鑑定 121
NMR圖譜 127
參考文獻 181

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指導教授

劉青原(Ching-Yuan Liu)

審核日期

2016-8-4

推文