含二噻吩蒽[3,2-b:2′,3′-d]噻吩單元之敏化染料太陽能電池

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姓名

楊秀怡(Hsiu-yi Yang) 查詢紙本館藏

畢業系所

化學學系

論文名稱

含二噻吩蒽[3,2-b:2′,3′-d]噻吩單元之敏化染料太陽能電池
(Dithieno[3,2-b:2′,3′-d]thiophene-Based Organic Dyes forDye-Sensitized Solar Cell)

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摘要(中)

本論文合成出一系列 (HY) 有機染料，是以 dithieno[3,2-b:2′,3′-d] thiophene 作為電子予體 (electron donor)，2-cyanoacrylic acid為電子受體 (electron acceptor)， oligothiophene 為分子結構中間之共軛架橋 (conjugated spacer) 。另外，在DTT或oligothiophene接上長碳鏈，除了可以增加染料之溶解性，也可利用此疏水性長碳鏈來阻止電解液中的I3－接近TiO2表面，而抑制暗電流的發生與增加元件的穩定性。組裝成的染料敏化太陽能電池 (dye-sensitized solar cells, DSSCs) 呈現不錯的光電轉換效率，其效率範圍為2.57−5.83 %。在相同條件下和N719染料的元件比較，可達N719染料元件效率的41−80 %。在本論文中可以觀察出，大部分HY染料分子的共軛長度越長，其莫耳吸收係數 (ε) 越大，吸收波長 (λmax) 也較紅位移，但效率並非完全成正比。另外，由理論計算數據可推測接在oligothiophene上的碳氫長鏈，其位置可能會破壞分子的平面性及影響染料分子在TiO2上的吸附，而影響電池效率。

摘要(英)

A series (HY) of dyes incorporating dithieno[3,2-b:2′,3′-d]thiophene as the electron donor, 2-cyanoacrylic acid as the electron acceptor, and oligothiophene moiety as the conjugated spacer have been synthesized and characterized. The hydrophobic hexyl chains not only increase the solubility of the dyes in organic solvents, but also help to blockade the hydrophilic I3－ ions from approaching the TiO2 surface and increase the stability of devices as well. Dye-sensitized solar cells (DSSCs) using these dyes as the sensitizers exhibited good conversion efficiencies. The efficiencies of the devices based on HY series range from 2.57−5.83%. These values which reach 41−80% of N719-based device fabricated and measured under similar conditions. The molar extinction coefficient (ε) and absorption wavelength (λmax) of the sensitizers normally increase as the conjugated spacer increases，though the cell efficiency does not follow the same trend. Theoretical computation results indicated that the hexyl hydrocarbon chains may degrade the coplanarity of the dye molecule and result in a lower efficiency.

關鍵字(中)

★ 敏化染料太陽能電池

關鍵字(英)

★ Dye-Sensitized Solar Cell

論文目次

目錄
中文摘要……………….………...……………………………….. I
英文摘要………………………………………………………….. II
謝誌……………………………………………………………….. III
目錄……………………………………………………………….. V
圖目錄…………………………………………………………….. VII
表目錄…………………………………………………………….. X
附圖目錄………………………………………………………….. XI
第一章緒論……………………………………………………… 1
1-1 前言………………………………………………….. 1
1-2 染料敏化太陽能電池(Dye-Sensitized Solar Cell DSSC) …………………………………...………….. 3
1-3 染料敏化太陽能電池的組成結構及元件製作…….. 7
1-4 太陽能電池電壓–電流輸出參數及特性說明……… 27
1-5 太陽光譜介紹……………………………………….. 30
1-6 研究動機…………………………………………….. 32
第二章實驗方法和過程說明…………………………………… 35
2-1 實驗儀器…………………………………………….. 35
2-2 實驗藥品及溶劑…………………………………….. 37
2-3 合成流程…………………………………………….. 39
第三章結果與討論……………………………………………… 92
3-1 實驗合成與反應機構之探討……………………….. 92
3-2 有機染料物性之探討……………………………….. 97
3-3 理論計算…………………………………………….. 111
3-4 結論………………………………………………….. 120
參考文獻………………………………………………………….. 121
附圖……………………………………………………………….. 129
圖目錄
圖(1-1)、目前太陽能電池之種類分類…………………………. 2
圖(1-2)、染料敏化太陽能電池的結構與運作機制圖……….… 5
圖(1-3)、染料敏化太陽能電池中電子可能的路徑……………. 7
圖(1-4)、 N3、N719、black dye 之吸收光譜及太陽能電池數據……………………………………………………… 9
圖(1-5)、 DSSCs之TiO2/染料/電解質之概略能階示意圖……. 10
圖(1-6)、非金屬有機染料的設計簡圖…………………………. 11
圖(1-7)、含fluorene的有機染料結構………………………….. 11
圖(1-8)、含低能帶的有機染料結構…………………………….. 12
圖(1-9)、含imidazole的有機染料結構………………………… 14
圖(1-10)、以含imidazole的光敏染料所建構電池之電流-電壓圖……………………………………………………… 15
圖(1-11)、以含imidazole的光敏染料所建構電池的IPCE曲線圖……………………………………………………… 16
圖(1-12)、含pyrrole的有機染料結構…………………………... 16
圖(1-13)、含cyanovinyl的有機染料結構………………………. 18
圖(1-14)、含furan的有機染料結構…………………………….. 19
圖(1-15)、TA-St-TA，D5染料之結構…………………………. 20
圖(1-16)、含thiophene的有機染料結構……………………….. 22
圖(1-17)、染料分子與TiO2的三種鍵結方式……………...…… 26
圖(1-18)、SEM下的二氧化鈦顆粒(粒徑10-30 nm) …………... 27
圖(1-19)、Photocurrent-voltage characteristic of a solar cell ……. 28
圖(1-20)、太陽能電池元件量測示意圖………………………… 29
圖(1-21)、染料敏化太陽能電池組成…………………………… 29
圖(1-22)、太陽能電池元件………………………………………. 30
圖(1-23)、太陽光譜圖，包括AM 0、AM 1、AM 2等太陽光譜
，及6000 K黑體輻射光譜……………………………. 31
圖(1-24)、HY系列染料化學結構示意圖………………………. 34
圖(3-1)、 HY系列染料化學結構………………………………. 92
圖(3-2)、 HY1-5染料合成過程示意圖………………………… 93
圖(3-3)、 HY4、6-10染染料合成過程示意…………………… 93
圖(3-4)、 Suzuki coupling可能之反應機構……………………. 95
圖(3-5)、 Stille coupling可能之反應機構……………………… 96
圖(3-6)、 Kumada reaction可能之反應機構…………………… 97
圖(3-7)、 HY系列有機染料紫外-可見光(UV-Vis)吸收光譜…. 99
圖(3-8)、 HY-1有機染料及其中間物1h………………………. 100
圖(3-9)、 1h和HY-1有機染料紫外-可見光(於THF)吸收光譜 100
圖(3-10)、染料HY-2於不同溶劑下的紫外-可見光(UV-Vis)吸收光譜………………………………………………… 101
圖(3-11)、染料HY-1、HY-5、HY-8加入ferrocene (Fc)，在THF中之循環伏安圖………………………………… 103
圖(3-12)、元件組裝過程………………………………………… 105
圖(3-13)、HY系列染料之J-V曲線圖…………………………. 106
圖(3-14)、HY系列染料之IPCE曲線圖………………………... 108
圖(3-15)、HY系列有機染料吸附於二氧化鈦上之紫外-可見光(UV-Vis)吸收光譜…………………………………… 110
圖(3-16)、激發態與基態間的ΔMulliken Charge…………….… 115
圖(3-17)、HY系列分子之frontier orbitals…………………...… 115
圖(3-18)、HY系列分子frontier orbitals的能階圖…………..… 119
圖(3-19)、基態分子各片段之二面角…………………………… 119
表目錄
表(1-1)、染料敏化太陽能電池的效率參數…………………… 21
表(1-2)、染料T4在不同厚度的二氧化鈦之太陽能電池效率參數…………………………………………..……….. 23
表(3-1)、有機染料HY系列紫外-可見光(UV-Vis)吸收光譜數據……………………………………………………… 99
表(3-2)、 HY系列有機染料電化學性質數據……………….… 102
表(3-3)、 HY系列有機染料元件量測數據……………………. 107
表(3-4)、 HY系列有機染料吸附於二氧化鈦上之吸收量……. 109
表(3-5)、 HY系列有機染料暫態光伏電位數據………………. 111
表(3-6)、 TDDFT之理論計算數據……………………………... 113
附圖目錄
附圖一、染料HY-1之1H-NMR放大及局部圖………………. 130
附圖二、染料HY-2之1H-NMR放大及局部圖………………. 131
附圖三、染料HY-3之1H-NMR放大及局部圖………………. 132
附圖四、染料HY-4之1H-NMR放大及局部圖………………. 133
附圖五、染料HY-5之1H-NMR放大及局部圖………………. 134
附圖六、染料HY-6之1H-NMR放大及局部圖………………. 135
附圖七、染料HY-7之1H-NMR放大及局部圖………………. 136
附圖八、染料HY-8之1H-NMR放大及局部圖………………. 137
附圖九、染料HY-9之1H-NMR放大及局部圖………………. 138
附圖十、染料HY-10之1H-NMR放大及局部圖………..……. 139

參考文獻

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指導教授

林建村、陳銘洲
(Jiann-Tsuen Lin、Ming-Chou Chen)

審核日期

2009-7-20

推文