基本信息
- 项目名称：
- 新型高效染料敏化太阳能电池制备与研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 太阳能是一种巨大的无污染能源，太阳能电池材料的研究越来越受到关注。有机染料敏化分子做电池原料不仅减轻了环境的污染问题，同时缓解了资源的浪费问题，有很好的发展前景。 研究在成功研制高效敏化太阳能电池的情况下，为进一步降低温室效应，保护生态环境，开发可见光下催化还原二氧化碳新技术，将其转化成为甲醇燃料和化工产品等有用的化合物，是保护人类赖以生存的生态环境的又一重要课题。
- 详细介绍：
- 设计合成了4种以N , N-二甲基苯胺单元与咔唑、噻吩共同作为供电子基的双供电体系染料敏化剂。利用红外、质谱、核磁对这些化合物的结构进行了表征，并对其光谱性质、电化学性能及其应用于染料敏化太阳能电池（DSC）的光电转换性能进行了测试研究，其结构如图所示。染料xs13具有高摩尔消光系数和高的IPCE值，达到88%，光电转换效率达到4.0%，但是吸收太阳光范围较窄。为拓宽染料光谱响应范围，设计合成烷氧基三苯胺作为供电单元，烷氧取代苯基作为共轭桥的染料MX13。总光电转换效率最高达到7.02%，值得注意的是，当加入鹅去氧胆酸共敏化后，光电转换效率提高到7.64%。最终短路电流6.2 mA/cm-2，开路电压 533 mV，效率达到2.14%在成功研制高效敏化太阳能电池的情况下，为进一步降低温室效应，保护生态环境，开发可见光下催化还原二氧化碳新技术，将其转化成为甲醇燃料和化工产品等有用的化合物，是保护人类赖以生存的生态环境的又一重要课题。 为了避免染料和二氧化碳还原产物的降解而消耗，将TiO2 薄膜分成两个功能区域，即染料敏化区和催化还原区。请看ppt，在染料敏化区，采用我们设计合成的染料作为敏化剂，敏化二氧化钛薄膜，制备密闭的夹层结构。该夹层结构是由染料敏化的二氧化钛薄膜、电解质和对电极组成，以实现电荷分离和保护染料不被降解。当太阳光照射吸附有染料的TiO2的薄膜，染料吸收光产生激子，将电子注入到TiO2的导带中，该电子通过TiO2的导带传输到催化还原区域，处于TiO2的导带的电子具有较高的能带，与二氧化碳反应，将其还原成甲醇 此课题是国家863计划探索导向类课题组成部分；实验室所合成的新型米氏酮-氰基类有机染料已申请了国家专利。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 由于传统的不能再生资源如煤和石油等化石类能源在地球上的储量极为有限，而且难以利用完全，造成污染，人类正面临着日益突出的能源匮乏和环境污染问题，随着全球能源需求量的逐年增加，对可再生能源的有效利用成为亟待解决的问题。开发和利用新的替代型能源的任务显得十分紧迫，从长远的观点来看，人们需求的能源最终只能来源于永不枯竭的天然储量资源或者来源于恒定的地球能量的资源。核聚变属于前者，太阳能便属于后一范畴。
科学性、先进性及独特之处
- 太阳能发电作为一种清洁而又取之不竭的新能源，与核能相比，太阳能更为安全，符合人类可持续发展的战略目标。除此之外，太阳能发电还具有诸如无磨损的运动部件、寿命长、少维修等优点；而且与其它形式的发电设备相比，其发电量可以在小至毫瓦级、大至几百万瓦级的广大范围内加以应用。因此太阳能的利用，尤其是直接把太阳辐射转变为电能的太阳能电池的应用，将受到人们的特别关注。
应用价值和现实意义
- 太阳能是一种巨大的无污染能源，太阳能电池材料的研究越来越受到关注。有机染料敏化分子做电池原料不仅减轻了环境的污染问题，同时缓解了资源的浪费问题，采用转化太阳能原理的染料敏化电池能有效的利用可再生资源，有很好的发展前景。
学术论文摘要
- 项目以咔唑为原料，与溴乙烷反应，得到乙基咔唑；在无水DMF和POCl3的条件下，使乙基咔唑甲酰化；再经过溴化；与噻吩硼酸偶联；再溴化得到新的产物。此外，以米氏酮为原料，通过还原反应，再在冰浴条件下加亚磷酸三乙酯及碘，反应得到的磷酸酯在溶剂THF下接着与对溴苯甲醛和叔丁化钾反应,再与Bu-Li和B（OCH3）3反应最终得到物质。与咔唑的溴化产物在钯催化剂下偶联反应，接着在乙腈和氯仿中加入氰酸及哌啶，加热回流得到的最终产物。 设计合成了4种以N , N-二甲基苯胺单元与咔唑、噻吩共同作为供电子基的双供电体系染料敏化剂。这些染料具有高摩尔消光系数和高的IPCE值（88%），在特定波段对于光的转换有很高的转换效率，这表明电子受体为氰基乙酸的梯度供电染料敏化剂为DSSC的高电子注入效率和电荷分离效率提供了可能性。其中xs13的光电转换效率达到4.0%，但是吸收太阳光范围较窄，需要我们进一步探寻可以延长吸收范围的共轭结构。 关键词： 染料敏化 太阳能 薄膜 咔唑 甲酰化 噻吩
获奖情况
- 在2010年校课外学术科技作品竞赛评选中获得一等奖
鉴定结果
- 无
参考文献
- [1] 沈辉，曾祖勤.太阳能光伏发电技术.北京:化学工业出版社，2005. [2] 刘恩科等.光电池及其应用.北京:科学出版社.1989, 175-176 [3] 封伟，王晓工.有机光伏材料与器件研究的新进展.化学通报.2003, 5: 291-300 [4] 施永明，赵高凌，等. 染料敏化纳米薄膜太阳能电池的研究进展［J］. 材料科学与工程，2002，20（1）：125 – 128 [5] 戴松元，等.染料敏化纳米薄膜太阳电池实验研究[J].物理 学 报 ， 20 05,5 4:1919-1926 [6] 梁茂，陶占良，陈军 染料敏化太阳能电池中的敏化剂[J ]. 化学通报 2005年第12期 :889-896
同类课题研究水平概述
- 中科院在电解质方面提出了基于单碘离子导体的固态电解质，低成本、环境友好固态电解质、聚合物电解质等在碳对电极方面，采用新颖的碳材料、导电聚合物以及对电极的制备工艺方面都做了深入研究）。并且研究了一种在可见光范围无吸收的新型非碘氧化还原电对来替代DSSC常用的I3-/I-电对。此氧化还原电对还具有如下优点：（1）价格便宜，制备简单；（2）对于金属的腐蚀性显著降低，明显优于I3-/I-电对；（3）尤其适用于低成本的碳对电极，组装成电池后，电池性能达到4.5%，优于同等条件下采用Pt电极电池。另外，通过对电池的系统优化，有望获得更高的开路电压。此项工作不仅为新型非碘氧化还原电对的设计提供了新思路，而且对加速染料敏化太阳能电池实用化进程将起到促进作用。 目前，染料敏化太阳能电池中的载流子传输材料主要是基于I3-/I-电对，它虽然具有电子交换速度快、与光生电子的复合速度慢等优点，但也有致命的缺点：（1）对绝大多数金属而言，I3-表现出很强的腐蚀性，而对于大面积染料敏化太阳能电池来讲，必须采用银导电网格来降低电池的电阻、提高电流的收集效率，因此对银栅网的保护面临技术壁垒。同时，银栅网的使用又牺牲了大面积电池的有效面积，降低了电池组件窗口面积的转换效率；（2）I2单质有一定的蒸汽压，对电池的稳定性有很大的影响，对电池的封装技术有很高的要求；（3）I3-/I- 电对对可见光有一定的吸收；（4）I3- / I- 电对的使用限制了电池的开路电压的进一步提高。
