含硫吡啶取代基噻吩雙元體之合成與聚合及其於染料敏化太陽能電池上的應用

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研究生：	郭韋廷
論文名稱：	含硫吡啶取代基噻吩雙元體之合成與聚合及其於染料敏化太陽能電池上的應用
指導教授：	韓建中
口試委員:	李志聰彭之皓
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	理學院 - 化學系 Department of Chemistry
論文出版年：	2012
畢業學年度：	100
語文別：	中文
論文頁數：	216
中文關鍵詞：	聚噻吩、染料敏化太陽能電池
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　　近幾年來，由於過度使用石化燃料對生態環境造成不可抹滅的負面影響，因此尋找替代能源為當前迫切的課題，而在各種替代能源中，最具發展潛力的為太陽能，在歷經矽晶元太陽能電池及薄膜太陽能電池的技術發展後，於新世代太陽能電池中，最受矚目的為染料敏化太陽能電池(Dye-sensitized Solar Cells；DSSC)及高分子太陽能電池（Organic Photovoltaic Cells；OPVs）。
導電高分子具有高穩定性、易進行結構修飾及成本較低等優勢，適合應用於染料敏化太陽能電池及高分子太陽能電池上，而在過去實驗室的研究中，嘗試將導電高分子聚噻吩作為染料分子應用於染料敏化太陽能電池，發現含硫烷側鏈之聚噻吩以 poly(3-hexylthiothiophene)(P3HTT)的光電轉換效率表現較佳，含硫芳香族側鏈之聚噻吩則以含硫酚基之 poly[3-(2-phenylthio)thiophene](P3PTT)較佳，含硫吡啶取代基之聚噻吩 poly[3-(2-pyridinylthio)thiophene](P3PYTT)則偏低，考慮到 P3PYTT 相鄰噻吩間因彼此的含硫吡啶側鏈使得立體障礙太大，不但會降低聚合的速度與程度，且會使聚噻吩主鏈扭轉，導致其主鏈之共平面性及有效共軛程度降低，因此為了減少立體障礙的影響，於本實驗中利用 Stille coupling 在 3-(2-pyridinylthio)thiophene(3PYTT)的 2 號位接上一噻吩，形成2-(thiophen-2- yl)-3-(2-pyridinylthio)thiophene(TPYTT)的結構並以其做為單體嘗試找出最佳化的聚合條件，由實驗結果得知 PTPYTT 無論是分子量、產率及 UV-vis 最大吸收峰均較 P3PYTT 有明顯改進，顯見此分子設計確實有利於降低相鄰噻吩間的立體障礙，提高聚合的程度、主鏈之共平面性及有效的共軛程度，而在以 trifluoroacetic acid(TFA)及 nitrosium hexafluorophosphate(NOPF6)摻雜 PBTT、PPYTT 與 PTPYTT 的實驗中發現，PPYTT 及 PTPYTT 由於分子內所含吡啶的影響，酸及氧化劑均不能有效摻雜噻吩主鏈。將 PTPYTT 應用在染料敏化太陽能電池上時，相較於 P3PYTT，其光電轉換效率效率有顯著提升。

第一章  緒論與文獻回顧    1
1-1  前言    2
1-2  導電高分子之簡介    4
1-2-1  高分子聚合物的發展    4
1-2-2  導電高分子的導電原理、應用    6
1-3  導電高分子聚噻吩之簡介    10
1-3-1  聚噻吩的合成方法    10
1-3-2  不同選擇性聚噻吩之光電性質、NMR 光譜的差異    15
1-4  有機太陽能電池之簡介    21
1-4-1  太陽能電池基本參數    21
1-4-2  染料敏化太陽能電池之簡介    23
1-4-3  有機高分子太陽能電池之簡介    27
1-4-4  聚噻吩在太陽能電池上的應用    31
1-5  Stille 耦合反應之簡介    35
1-6  研究動機    36
1-7  參考文獻    37
第二章  實驗內容    40
2-1  藥品    41
2-2  儀器設備與分析、計算方法    43
2-3  化合物之結構、代號、英文名稱    49
2-4  含硫吡啶側鏈的噻吩單體及二聚體的合成、鹵化    50
2-4-1  化合物 1，3-(2-pyridinylthio)thiophene (3PYTT)，合成步驟    50
2-4-2  化合物 2，2-bromo-3-(2-pyridinylthio)thiophene (3PYTT
-Br)，合成步驟    53
2-4-3  化合物 3，2-(tributyltin)thiophene，合成步驟    54
2-4-4  化合物 4，2-(thiophen-2-yl)-3-(2-pyridinylthio)thiophene (TPYTT)，合成步驟    56
2-4-5  化合物5，2-(5-bromothiophen-2-yl)-3-(2-pyridinylthio)thio
phene(TPYTT-Br)，合成步驟    58
2-4-6  化合物 6，2-(5-bromothiophen-2-yl)-3-(2-pyridinylthio)-5-    bromothiophene(TPYTT-Br2)，合成步驟    59
2-4-7  化合物 7，2-(5-bromothiophen-2-yl)-3-(2-pyridinylthio)-5-i-
odothiophene (TPYTT-Br-I)，合成步驟    61
2-5  含硫吡啶取代基之聚噻吩的合成    63
2-5-1  GRIM 聚合方法    63
2-5-2  Rieke’s zinc 聚合方法    66
2-6  染料敏化太陽能電池的元件製備與量測    68
第三章  聚噻吩的合成、理論計算與其在光敏化太陽能電池上的應用    71
3-1  噻吩單體的理論計算與合成    72
3-1-1  噻吩單體及其二聚體之理論計算結果    72
3-1-2  TPYTT 的合成、鹵化及光譜鑑定    79
3-2  噻吩的聚合及儀器分析    92
3-2-1  Grignard 試劑(RMgX) 生成反應的選擇性控制    92
3-2-2  噻吩的聚合與鑑定    98
3-3  聚噻吩在染料敏化太陽能電池上的應用結果與討論    137
3-3-1  聚噻吩於吸附於 TiO2 前後之比較    137
3-3-2  聚噻吩應用於染料敏化太陽能電池之結果    140
3-4  結論    146
3-5  參考文獻    147
附錄……………………………………………………………………148

                                

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