延伸共軛之釕金屬光敏染料合成及其在染料敏化太陽能電池上的應用

Synthesis of Ru(II) Sensitizers with the Extended π-Conjugation and their Applications in Dye-Sensitized Solar Cells

古宛平

指導教授 ： 季昀

國立清華大學/理學院/化學系/碩士(2012年)

https://doi.org/10.6843/NTHU.2012.00220

摘要

在本文中，藉由不同染料分子設計研究搭配元件上最佳化，期許能獲得高效率染料敏化太陽能電池，主要分為以下三部分:
合成出一系列以 4,4'-dicarboxyvinyl-2,2'-bipyridine 作為 anchor 搭配兩個對位不同延伸共軛修飾的 2-pyridyl pyrazolate 或 triazolate 的染料 TFRS-11 ~ TFRS-14。相較於 TFRS-2 效率為9.82%，在 carboxyvinyl-pyrazolate的染料 TFRS-11 ~ TFRS-13，即使延伸共軛使吸收紅位移且增加，但效率卻只有5.60 ~ 7.62%，元件表現上不及 TFRS-2，主要原因為染料吸附在 TiO2 上排列不佳以及染料較淺的基態氧化電位，因此造成 charge recombination 增加以及染料不易再生。而氧化電位問題可利用將 pyrazolate 換成 triazolate 而將氧化電位拉低，因此使染料可有效地再生，最後此染料 TFRS-14 可得到較佳的效率9.02%。
利用 TFRS-1 為基礎，不同於以往以 thiophene 修飾進行延伸共軛，改以 isoquinolinyl 和 quinolinyl pyrazolate 可增加光吸收使短路電流密度上升，並引入 bulky 的 t-butyl 官能基，在元件表現上可得到相當高的Voc (830 mV)，最後再搭配共吸附劑 [TBA][DOC] 可得到最好的元件效率，染料 TFRS-52 的 Jsc 為 16.3 mA cm-2、Voc 為860 mV、FF 為0.72、η = 10.1%。而有此高開路電壓的表現，原因為 bulky 官能基修飾使染料有較長的 electron lifetime 而減少 charge recombination，除此之外，可能由於染料以 carboxylate 吸附於 TiO2 而使導帶能階上升所致。最後，再引入更 bulky 官能基修飾的染料 2f 有目前最佳的元件效率10.51%。
在 anchors 進行另一種延伸共軛，將 pyridyl 換成 quinolinyl 可增加 π 共軛，並搭配不同 ancillaries，雖然吸收光譜較為紅位移，卻沒有得到較高的吸收係數，且其平面性增加而增加染料堆疊，會造成元件效率不佳，雖然藉由 t-butyl 的引入可減少堆疊產生，而使效率提升，但染料 3c 效率只有9.01%。此系列染料元件表現上並不如預期的好，推測為更大分子體積設計且不對稱結構使染料在有較不規則的排列吸附以及 π 共軛使染料 LUMO 能階下降而使開路電壓下降，同時缺乏較佳的光吸收能力，因此最後元件表現並未相當突出。然而藉由這些染料分子設計的變化得到的結果，可以提供未來染料設計的方向。

關鍵字

染料敏化太陽能電池 ； 釕金屬染料

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DSSC ； Ru Sensitizer

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