基本信息
- 項目名稱：
- 染料敏化太陽能電池方酸菁光敏染料的合成及性能研究
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 自然科學類學術論文
- 簡介：
- 本課題首先合成染料中間體（N-對羧基芐基-2,3,3-三甲基-3H-吲哚啉-5-磺酸鉀），設計合成了方酸菁染料，并通過色譜柱分離提純產(chǎn)品，得到不對稱方酸菁染料。通過氫核磁共振、質(zhì)譜和紅外光譜確認了該染料的結構；研究了產(chǎn)品的紫外-可見吸收、熒光發(fā)射光譜性能；進行了光電性能的測試。
- 詳細介紹：
- 本課題設計合成了新型不對稱方酸菁染料，其結構特點是分子中的吲哚環(huán)氮位上含對羧芐基。以全氯丁二烯為原料，以嗎啉為催化劑經(jīng)環(huán)合、酸化合成得到方酸，將其與N位含對羧芐基的吲哚啉和N位含甲基的吲哚啉縮合得到不對稱方酸菁染料；用硅膠色譜柱分離提純產(chǎn)品，并討論了洗脫劑的配比，其中當正丁醇：吡啶：水的體積比為3.5:0.9:1時分離效果最佳。通過氫核磁共振、質(zhì)譜和紅外光譜確認了染料的結構；研究了產(chǎn)品的紫外-可見吸收、熒光發(fā)射光譜性能，產(chǎn)品水溶液的紫外-可見光最大吸收波長為622 nm，熒光發(fā)射最大波長為636 nm；用SQ2配制成濃度≥7×10-4 mol·L-1敏化涂有TiO2膜的導電玻璃，制備成光陽極，和碳電極組成光電轉(zhuǎn)換裝置。氙燈光的照射下測得光電壓為93.8 mV，光電流為0.17mA，而沒有敏化的電池測得光電壓為3.71 mV，光電流為0.01mA。
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 環(huán)境污染和能源危機已成為關系人類健康和可持續(xù)發(fā)展亟待解決的問題，而太陽能作為清潔的能源可以替代目前相對污染較大的化石能源。目前，對太陽能的利用形式主要是太陽能電池。染料敏化納米晶體太陽能電池因其制作方法簡單，成本較低，研究空間較大，科研工作者通過對各種各樣的有機染料和半導體聚合物進行研究，發(fā)現(xiàn)染料敏化太陽能電池的關鍵是染料的選擇。
科學性、先進性及獨特之處
- 由于硅系列太陽能電池和化合物太陽能電池成本居高不下，遠不能滿足大規(guī)模推廣應用的要求，而染料敏化納米晶體太陽能電池因其制作方法簡單，成本較低，越來越受到人們的重視?？蒲泄ぷ髡甙l(fā)現(xiàn)染料的最大吸收波長幾乎涵蓋了可見光的全部范圍，材料選擇余地較大，易達到價廉的目標。因此，染料敏化太陽能電池的關鍵是染料的研發(fā)。本課題通過方酸與供電子基團發(fā)生縮合反應，得到方酸菁染料。反應過程得到N-對羧芐基。
應用價值和現(xiàn)實意義
- 太陽能相對于其它能源來說具有許多不可比擬的優(yōu)點。目前，對太陽能的利用形式主要是太陽能電池。太陽能電池包括硅系列太陽能電池、化合物太陽能電池 、染料敏化納米晶體太陽能電池。由于硅系列太陽能電池和化合物太陽能電池成本居高不下，遠不能滿足大規(guī)模推廣應用的要求，而染料敏化納米晶體太陽能電池因其制作方法簡單，成本較低，越來越受到人們的重視。本課題研究不對稱方酸菁染料用作染料太陽能電池的敏化劑。
學術論文摘要
- 目前，對無污染能源太陽能的利用形式主要是太陽能電池，而最有研究意義的染料敏化太陽能電池的關鍵是新型染料的研發(fā)。因此對具有低成本，低污染，制作方法簡單的方酸菁染料的研究具有重要的意義。本課題以所合成的方酸縮合劑和染料中間體、N-對羧基芐基-2，3，3-三甲基-3H-吲哚啉-5-磺酸鉀為原料，以一步法合成得到不對稱方酸菁染料，運用薄層色譜法對產(chǎn)物進行分析與分離。產(chǎn)品結構經(jīng)質(zhì)譜和核磁共振譜得到初步確認。經(jīng)熒光光譜和紫外光譜檢測，最大紫外吸收波長為619nm,最大熒光發(fā)射波長為634nm。因此，研究并提高菁染料的光穩(wěn)定性具有十分重要的意義。
獲獎情況
- 本作品在燕山大學第十五屆“世紀杯”大學生課外學術作品競賽中獲得特等獎 本作品在2011河北省“挑戰(zhàn)杯”大學生課外學術作品競賽中獲得一等獎
鑒定結果
- 無
參考文獻
- 1 車慶林,彭孝軍.方酸的合成進展.合成化學 2000,8(1) 2 賀鋒濤,馮曉強,張東玲,王蘭英,侯洵.三甲川菁染料綠光高密度光存儲研究.激光技術.2004,28(5) 3 張莉,楊邁之,高恩勤,喬學斌,郝彥忠,王艷琴,蔡生民.五甲川菁染料的敏化作用及其在 Gr¨atzel 型太陽能電池中的應用.高等學?；瘜W學報.2000,21 4 楊松杰,田禾.菁染料光穩(wěn)定性研究進展.感光科學與光化學.1999,17(3) 5 王繼東,王麗秋.菁染料的研究進展.廣東化工.2007,34(2) 6 楊松杰,孟凡順,陳孔常,田禾,汪文瑋.菁染料和份菁染料的合成及其溶液的光穩(wěn)定性研究.感光科學與光化學.2001,19(3) 7 俞開潮,金玲,程紅.七甲川花菁染料的研究進展.合成化學. 8 王劍,王榮仙,郭鵬.苯并吲哚三甲川花菁染料的微波合成.武漢大學學報.2005,51(6) 9 楊小兵,丁松濤,楊裕生,周曉海.近紅外激光防護染料.有機化學. 2002,22（1）： 33～41 10 車慶林,彭孝軍.方酸菁類功能染料及應用.染料工業(yè).1999,36 (2)： 8～14
同類課題研究水平概述
- 1856年Williamsf發(fā)現(xiàn)了菁染料(亦稱花菁)，十七年后，Vogel發(fā)現(xiàn)該類染料具有異常靈敏的感光能力，從此菁染料得到迅速發(fā)展。方酸菁染料最早涉入的領域之一是有機太陽能電池研究方。1991年，Gratzel領導的研究小組研制出用羧酸聯(lián)吡啶釕(II)染料敏化的二氧化鈦納米晶多孔膜作為光電陽極的化學太陽能光電池，其光電轉(zhuǎn)換效率可以達到7.1％-7.9％，接近了多晶硅光電池的轉(zhuǎn)換效率，但成本僅為硅光電池的1/10-1/5 。幾年后，該小組又將光電轉(zhuǎn)換效率提高到10％ 。由于染料在染料敏化太陽能電池中的重要性，近幾年，對于新型染料的研究越來越受到人們的關注。菁染料共軛鏈兩端或中間連有雜環(huán)、芳環(huán)化合物、環(huán)烯化合物等，與共軛鏈組成一個大的π共軛體系，分子內(nèi)部的氫原子可被一定數(shù)目的各類取代基取代，其吸收光譜可通過改變甲川鏈的長度來調(diào)節(jié)，摩爾消光系數(shù)很大，是重要的合成染料。近年來，激發(fā)波長在近紅外區(qū)的半導體二極管激光器在生產(chǎn)和科研中得到了廣泛的應用，這使得與之相匹配的近紅外吸收染料成為功能染料研究的熱點之一在諸多近紅外染料品種中，方酸菁染料以其優(yōu)異的光學性能，良好的光熱穩(wěn)定性倍受青睞。近十年來，每年都有大量專利和文獻報道其應用研究。目前，國內(nèi)外對方酸菁染料的合成及應用研究方興未艾，這類染料具有廣泛的應用價值和研究前景。
