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基本信息

項(xiàng)目名稱：
新型高效染料敏化太陽(yáng)能電池制備與研究
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
太陽(yáng)能是一種巨大的無(wú)污染能源，太陽(yáng)能電池材料的研究越來越受到關(guān)注。有機(jī)染料敏化分子做電池原料不僅減輕了環(huán)境的污染問題，同時(shí)緩解了資源的浪費(fèi)問題，有很好的發(fā)展前景。 研究在成功研制高效敏化太陽(yáng)能電池的情況下，為進(jìn)一步降低溫室效應(yīng)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，開發(fā)可見光下催化還原二氧化碳新技術(shù)，將其轉(zhuǎn)化成為甲醇燃料和化工產(chǎn)品等有用的化合物，是保護(hù)人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境的又一重要課題。
詳細(xì)介紹：
設(shè)計(jì)合成了4種以N , N-二甲基苯胺單元與咔唑、噻吩共同作為供電子基的雙供電體系染料敏化劑。利用紅外、質(zhì)譜、核磁對(duì)這些化合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，并對(duì)其光譜性質(zhì)、電化學(xué)性能及其應(yīng)用于染料敏化太陽(yáng)能電池（DSC）的光電轉(zhuǎn)換性能進(jìn)行了測(cè)試研究，其結(jié)構(gòu)如圖所示。染料xs13具有高摩爾消光系數(shù)和高的IPCE值，達(dá)到88%，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到4.0%，但是吸收太陽(yáng)光范圍較窄。為拓寬染料光譜響應(yīng)范圍，設(shè)計(jì)合成烷氧基三苯胺作為供電單元，烷氧取代苯基作為共軛橋的染料MX13?？偣怆娹D(zhuǎn)換效率最高達(dá)到7.02%，值得注意的是，當(dāng)加入鵝去氧膽酸共敏化后，光電轉(zhuǎn)換效率提高到7.64%。最終短路電流6.2 mA/cm-2，開路電壓 533 mV，效率達(dá)到2.14%在成功研制高效敏化太陽(yáng)能電池的情況下，為進(jìn)一步降低溫室效應(yīng)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，開發(fā)可見光下催化還原二氧化碳新技術(shù)，將其轉(zhuǎn)化成為甲醇燃料和化工產(chǎn)品等有用的化合物，是保護(hù)人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境的又一重要課題。 為了避免染料和二氧化碳還原產(chǎn)物的降解而消耗，將TiO2 薄膜分成兩個(gè)功能區(qū)域，即染料敏化區(qū)和催化還原區(qū)。請(qǐng)看ppt，在染料敏化區(qū)，采用我們?cè)O(shè)計(jì)合成的染料作為敏化劑，敏化二氧化鈦薄膜，制備密閉的夾層結(jié)構(gòu)。該夾層結(jié)構(gòu)是由染料敏化的二氧化鈦薄膜、電解質(zhì)和對(duì)電極組成，以實(shí)現(xiàn)電荷分離和保護(hù)染料不被降解。當(dāng)太陽(yáng)光照射吸附有染料的TiO2的薄膜，染料吸收光產(chǎn)生激子，將電子注入到TiO2的導(dǎo)帶中，該電子通過TiO2的導(dǎo)帶傳輸?shù)酱呋€原區(qū)域，處于TiO2的導(dǎo)帶的電子具有較高的能帶，與二氧化碳反應(yīng)，將其還原成甲醇 此課題是國(guó)家863計(jì)劃探索導(dǎo)向類課題組成部分；實(shí)驗(yàn)室所合成的新型米氏酮-氰基類有機(jī)染料已申請(qǐng)了國(guó)家專利。

作品圖片

  • 新型高效染料敏化太陽(yáng)能電池制備與研究
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作品專業(yè)信息

撰寫目的和基本思路

由于傳統(tǒng)的不能再生資源如煤和石油等化石類能源在地球上的儲(chǔ)量極為有限，而且難以利用完全，造成污染，人類正面臨著日益突出的能源匱乏和環(huán)境污染問題，隨著全球能源需求量的逐年增加，對(duì)可再生能源的有效利用成為亟待解決的問題。開發(fā)和利用新的替代型能源的任務(wù)顯得十分緊迫，從長(zhǎng)遠(yuǎn)的觀點(diǎn)來看，人們需求的能源最終只能來源于永不枯竭的天然儲(chǔ)量資源或者來源于恒定的地球能量的資源。核聚變屬于前者，太陽(yáng)能便屬于后一范疇。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

太陽(yáng)能發(fā)電作為一種清潔而又取之不竭的新能源，與核能相比，太陽(yáng)能更為安全，符合人類可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)。除此之外，太陽(yáng)能發(fā)電還具有諸如無(wú)磨損的運(yùn)動(dòng)部件、壽命長(zhǎng)、少維修等優(yōu)點(diǎn)；而且與其它形式的發(fā)電設(shè)備相比，其發(fā)電量可以在小至毫瓦級(jí)、大至幾百萬(wàn)瓦級(jí)的廣大范圍內(nèi)加以應(yīng)用。因此太陽(yáng)能的利用，尤其是直接把太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿奶?yáng)能電池的應(yīng)用，將受到人們的特別關(guān)注。

應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義

太陽(yáng)能是一種巨大的無(wú)污染能源，太陽(yáng)能電池材料的研究越來越受到關(guān)注。有機(jī)染料敏化分子做電池原料不僅減輕了環(huán)境的污染問題，同時(shí)緩解了資源的浪費(fèi)問題，采用轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能原理的染料敏化電池能有效的利用可再生資源，有很好的發(fā)展前景。

學(xué)術(shù)論文摘要

項(xiàng)目以咔唑?yàn)樵?，與溴乙烷反應(yīng)，得到乙基咔唑；在無(wú)水DMF和POCl3的條件下，使乙基咔唑甲?；?；再經(jīng)過溴化；與噻吩硼酸偶聯(lián)；再溴化得到新的產(chǎn)物。此外，以米氏酮為原料，通過還原反應(yīng)，再在冰浴條件下加亞磷酸三乙酯及碘，反應(yīng)得到的磷酸酯在溶劑THF下接著與對(duì)溴苯甲醛和叔丁化鉀反應(yīng),再與Bu-Li和B（OCH3）3反應(yīng)最終得到物質(zhì)。與咔唑的溴化產(chǎn)物在鈀催化劑下偶聯(lián)反應(yīng)，接著在乙腈和氯仿中加入氰酸及哌啶，加熱回流得到的最終產(chǎn)物。 設(shè)計(jì)合成了4種以N , N-二甲基苯胺單元與咔唑、噻吩共同作為供電子基的雙供電體系染料敏化劑。這些染料具有高摩爾消光系數(shù)和高的IPCE值（88%），在特定波段對(duì)于光的轉(zhuǎn)換有很高的轉(zhuǎn)換效率，這表明電子受體為氰基乙酸的梯度供電染料敏化劑為DSSC的高電子注入效率和電荷分離效率提供了可能性。其中xs13的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到4.0%，但是吸收太陽(yáng)光范圍較窄，需要我們進(jìn)一步探尋可以延長(zhǎng)吸收范圍的共軛結(jié)構(gòu)。 關(guān)鍵詞： 染料敏化 太陽(yáng)能 薄膜 咔唑 甲?；? 噻吩

獲獎(jiǎng)情況

在2010年校課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽評(píng)選中獲得一等獎(jiǎng)

鑒定結(jié)果

無(wú)

參考文獻(xiàn)

[1] 沈輝，曾祖勤.太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù).北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005. [2] 劉恩科等.光電池及其應(yīng)用.北京:科學(xué)出版社.1989, 175-176 [3] 封偉，王曉工.有機(jī)光伏材料與器件研究的新進(jìn)展.化學(xué)通報(bào).2003, 5: 291-300 [4] 施永明，趙高凌，等. 染料敏化納米薄膜太陽(yáng)能電池的研究進(jìn)展［J］. 材料科學(xué)與工程，2002，20（1）：125 – 128 [5] 戴松元，等.染料敏化納米薄膜太陽(yáng)電池實(shí)驗(yàn)研究[J].物理 學(xué) 報(bào) ， 20 05,5 4:1919-1926 [6] 梁茂，陶占良，陳軍　染料敏化太陽(yáng)能電池中的敏化劑[J ].　化學(xué)通報(bào)　2005年第12期 :889-896

同類課題研究水平概述

中科院在電解質(zhì)方面提出了基于單碘離子導(dǎo)體的固態(tài)電解質(zhì)，低成本、環(huán)境友好固態(tài)電解質(zhì)、聚合物電解質(zhì)等在碳對(duì)電極方面，采用新穎的碳材料、導(dǎo)電聚合物以及對(duì)電極的制備工藝方面都做了深入研究）。并且研究了一種在可見光范圍無(wú)吸收的新型非碘氧化還原電對(duì)來替代DSSC常用的I3-/I-電對(duì)。此氧化還原電對(duì)還具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）價(jià)格便宜，制備簡(jiǎn)單；（2）對(duì)于金屬的腐蝕性顯著降低，明顯優(yōu)于I3-/I-電對(duì)；（3）尤其適用于低成本的碳對(duì)電極，組裝成電池后，電池性能達(dá)到4.5%，優(yōu)于同等條件下采用Pt電極電池。另外，通過對(duì)電池的系統(tǒng)優(yōu)化，有望獲得更高的開路電壓。此項(xiàng)工作不僅為新型非碘氧化還原電對(duì)的設(shè)計(jì)提供了新思路，而且對(duì)加速染料敏化太陽(yáng)能電池實(shí)用化進(jìn)程將起到促進(jìn)作用。 　 目前，染料敏化太陽(yáng)能電池中的載流子傳輸材料主要是基于I3-/I-電對(duì)，它雖然具有電子交換速度快、與光生電子的復(fù)合速度慢等優(yōu)點(diǎn)，但也有致命的缺點(diǎn)：（1）對(duì)絕大多數(shù)金屬而言，I3-表現(xiàn)出很強(qiáng)的腐蝕性，而對(duì)于大面積染料敏化太陽(yáng)能電池來講，必須采用銀導(dǎo)電網(wǎng)格來降低電池的電阻、提高電流的收集效率，因此對(duì)銀柵網(wǎng)的保護(hù)面臨技術(shù)壁壘。同時(shí)，銀柵網(wǎng)的使用又犧牲了大面積電池的有效面積，降低了電池組件窗口面積的轉(zhuǎn)換效率；（2）I2單質(zhì)有一定的蒸汽壓，對(duì)電池的穩(wěn)定性有很大的影響，對(duì)電池的封裝技術(shù)有很高的要求；（3）I3-/I- 電對(duì)對(duì)可見光有一定的吸收；（4）I3- / I- 電對(duì)的使用限制了電池的開路電壓的進(jìn)一步提高。
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