- 學位論文
異配基中性釕金屬光敏染料合成 與染敏太陽能電池試製
Synthesis of Heteroleptic Tridentate and Bidentate Ru(II) Complexes and Application of Dye-Sensitized Solar Cells
摘要
在本論文中，藉由不同染料分子設計並搭配太陽電池元件上最佳化，期許能獲得高效率染料敏化太陽能電池，研究主題主要分為以下兩部分: 第一部分合成出一系列以 TF-21 為基礎，將中心 pyridyl 改成 pyrimidyl，其2,6號位置分別為 phenyl 衍生物及 azolate 的三牙配位基。並將其修飾延伸共軛官能團 thiophene 和 3,4-ethylenedioxythiophene (EDOT)，將此系列 1a ~ 1d 與已發表的 TF-21 作對照，進行一系列染料的電化學、光物理及元件特性的相關探討及比較，並觀察到當增加高陰電性氮原子在芳香族雜環上時，吸收光譜在長波長 MLCT 處吸收峰變得較寬；而HOMO軌域也會被拉低，使氧化電位變得更加正值。相較於 TF-21 效率為5.26%，此系列染料 1d 效率可達7.68%。 另一部分則以 TFRS-51 為基礎，在 isoquinoline 上5號位、6號位以及5, 7號位進行官能基修飾，不同於以往以 thiophene 修飾達到延伸共軛效果，而使用更具有推電子性質的 diphenylamine 及 indoline 官能基。發現由於在不同位置修飾所造成的立體障礙差異會反應在吸收光譜、氧化電位、吸附量以及元件參數表現上。可得知在5號位上進行官能基修飾可以適當地利用其立體障礙而降低 charge recombination 的發生，達到較高的開路電壓850 mV，η = 9.63%。而在6號位上做推電子基修飾能夠有效將中心金屬 t2g 軌域推高，也因為較好的平面性使吸收光譜有較高的吸光係數表現，但由於吸附時易發生堆疊現象造成光電流的損失，以及立體障礙不足的原因造成 charge recombination，而使短路電流及開路電壓皆下降，η = 8.14%。當5,7號位置皆修飾上推電子官能團時，會造成染料分子體積過大使得吸附量下降，雖然有足夠的立體障礙阻止 charge recombination 發生而提升開路電壓至860 mV，但是在光電流下降的情形下，效率也只能維持在8.28%。綜合以上結果，選擇在效率表現較好的5號位進行更強推電子基 indoline 的修飾，中心金屬 t2g 軌域因此被推高；而 indoline 因有較多 fused 環狀結構使得平面性較 diphenylamine 佳，使得吸光係數有些微增加；但也因此無法有效阻止 charge recombination 而使開路電壓下降，效率仍維持在9.59%。 希望能藉由這些染料分子設計的變化所得到之結果，提供未來在染料設計上的方向，並且在延伸染料共軛平面性及增加立體障礙兩項因素所造成的 Jsc 與 Voc 權衡 (trade-off) 效應做適當的評估。