釕金屬及鋨金屬之染料敏化太陽能電池合成及探討

Synthesis and Study of RuII and OsII Sensitizers for Dye-Sensitized Solar Cells

王聖為

指導教授 ： 季昀

國立清華大學/理學院/化學系/博士(2014年)

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，主要分為以下四部分：
第一部分，合成出一系列利用雙牙配位基所合成出來的釕金屬錯合物，改變以往用較不穩定的 NCS 單配位基，利用 pyridine pyrazole 來進行合成，並且修飾上不同延伸共軛的取代基，如 thiophene 及 EDOT 製作染敏常見的延伸共軛官能團，並且引入硫原子觀察其變化；另外將 pyridine pyrazole 改成 pyridine triazole 來調控 oxidation potential，發現將 pyrazole 置換成 triazole 後 oxidation potential 被拉低大約 0.3 eV，吸收光譜藍位移進而導致 Jsc、效率降低，而此系列效率最高的可以達到 10.2%。另外在這系列觀察到當濃度做些許改變吸收光譜也跟著些許的改變，因此推測為 anchoring group 的羧酸基去質子化的產生；在高濃度下會較為紅位移，有可能是因為去質子化的程度很小，導致 anchoring group 的羧酸基還保有兩個氫原子，使 anchoring group 較具有拉電子性，excited state oxidation potential 被拉低，因此能階變小導致紅移現象；當低濃度下大約 1.0  10-5 M 時，推測有可能為 anchoring group 的羧酸基去除兩個質子，因此利用理論計算來模擬以上情況。
第二部分，合成出一系列中心金屬為鋨的染敏錯合物，在 2012 年本實驗室發表了以鋨為中心金屬並以三牙配位基所合成的染料，其吸收光譜可紅位移至900 nm，IPCE 光譜則可延伸至 1000 nm，而此部分利用雙牙配位基的分子設計方式合成鋨金屬染敏錯合物，首先先利用 pypzCF3 來進行合成，得到效率為 4.2%，主要是因為 oxidation potential 太淺，因此在電解液中做修改調控 I− 濃度，最終優化到 5.56%，之後進行染料上的修飾修飾上大立障官能團 t-Butyl 減少charge recombination 發生，但由於 H oxidation potential 還是太淺效率只有 6.08%，因此想把 pyridine 置換成 pyrimidine 增加拉電子性，期望把 oxidation potential 拉低，但 pyrimidine 卻會和電解液產生作用力導致效率不如預期只有 6.0%。
第三部分，在 anchors 延伸共軛，將 bipyridine 換成 pyridine quinoline 或是 biquinoline 可增加 π 共軛，使光譜吸收能夠更加紅位移，然而卻發現效率卻不如預期的提升最好的也只有 6.59%，因此經由理論計算發現，由於將 bipyridine 變成 pyridine quinoline 或是 biquinoline 會使得結構扭曲，導致吸附量下降 Jsc 降低效率也就跟著變差。
第四部分，延續 2009 年的研究方向，將第一部分效率最高的染料配位基運用在 PRT 系列上合成出兩顆染料，階有不錯效率分別為 10.81% 及 11.16%，此系列雖有 NCS 單配位配位基，但仍然有不錯的長效穩定性，經過 1000 小時高溫下的測試只有衰退比例僅大約 2%。

關鍵字

染料敏化太陽能電池

參考文獻

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