簡易檢索 / 詳目顯示
| 研究生： |
陳珮樺 Chen, Pei-Hua |
|---|---|
| 論文名稱： |
異配基中性釕金屬光敏染料合成 與染敏太陽能電池試製 Synthesis of Heteroleptic Tridentate and Bidentate Ru(II) Complexes and Application of Dye-Sensitized Solar Cells |
| 指導教授： | 季昀 |
| 口試委員: |
周必泰
蔡易州 |
| 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： | 2013 |
| 畢業學年度： | 101 |
| 語文別： | 中文 |
| 論文頁數： | 152 |
| 中文關鍵詞： | 染敏電池 、太陽能電池 、釕金屬染料 |
| 相關次數： | 點閱：1 下載：0 |
| 分享至: |
| 查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報 |
在本論文中，藉由不同染料分子設計並搭配太陽電池元件上最佳化，期許能獲得高效率染料敏化太陽能電池，研究主題主要分為以下兩部分:
第一部分合成出一系列以 TF-21 為基礎，將中心 pyridyl 改成 pyrimidyl，其2,6號位置分別為 phenyl 衍生物及 azolate 的三牙配位基。並將其修飾延伸共軛官能團 thiophene 和 3,4-ethylenedioxythiophene (EDOT)，將此系列 1a ~ 1d 與已發表的 TF-21 作對照，進行一系列染料的電化學、光物理及元件特性的相關探討及比較，並觀察到當增加高陰電性氮原子在芳香族雜環上時，吸收光譜在長波長 MLCT 處吸收峰變得較寬；而HOMO軌域也會被拉低，使氧化電位變得更加正值。相較於 TF-21 效率為5.26%，此系列染料 1d 效率可達7.68%。
另一部分則以 TFRS-51 為基礎，在 isoquinoline 上5號位、6號位以及5, 7號位進行官能基修飾，不同於以往以 thiophene 修飾達到延伸共軛效果，而使用更具有推電子性質的 diphenylamine 及 indoline 官能基。發現由於在不同位置修飾所造成的立體障礙差異會反應在吸收光譜、氧化電位、吸附量以及元件參數表現上。可得知在5號位上進行官能基修飾可以適當地利用其立體障礙而降低 charge recombination 的發生，達到較高的開路電壓850 mV，η = 9.63%。而在6號位上做推電子基修飾能夠有效將中心金屬 t2g 軌域推高，也因為較好的平面性使吸收光譜有較高的吸光係數表現，但由於吸附時易發生堆疊現象造成光電流的損失，以及立體障礙不足的原因造成 charge recombination，而使短路電流及開路電壓皆下降，η = 8.14%。當5,7號位置皆修飾上推電子官能團時，會造成染料分子體積過大使得吸附量下降，雖然有足夠的立體障礙阻止 charge recombination 發生而提升開路電壓至860 mV，但是在光電流下降的情形下，效率也只能維持在8.28%。綜合以上結果，選擇在效率表現較好的5號位進行更強推電子基 indoline 的修飾，中心金屬 t2g 軌域因此被推高；而 indoline 因有較多 fused 環狀結構使得平面性較 diphenylamine 佳，使得吸光係數有些微增加；但也因此無法有效阻止 charge recombination 而使開路電壓下降，效率仍維持在9.59%。
希望能藉由這些染料分子設計的變化所得到之結果，提供未來在染料設計上的方向，並且在延伸染料共軛平面性及增加立體障礙兩項因素所造成的 Jsc 與 Voc 權衡 (trade-off) 效應做適當的評估。
[1] http://www.tri.org.tw/unfccc/ReneweableEnergy/RE-1.htm.
[2] D. M. Chapin, C. S. Fuller, G. L. Pearson, J. Appl. Phys. 1954, 25, 676-677.
[3] http://www.ipama-age.org/analysis/dssc_electrode.html.
[4] E. Putzeiko, A. Terenin, Zh. Fiz. Khim. 1949, 23, 676.
[5] H. Tsubomura, M. Matsumura, Y. Nomura, T. Amamiya, Nature 1976, 261, 402-403.
[6] B. O'Regan, M. Grätzel, Nature 1991, 353, 737-740.
[7] M. K. Nazeeruddin, F. De Angelis, S. Fantacci, A. Selloni, G. Viscardi, P. Liska, S. Ito, B. Takeru, M. Grätzel, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 16835-16847.
[8] A. Yella, H. W. Lee, H. N. Tsao, C. Yi, A. K. Chandiran, M. K. Nazeeruddin, E. W. Diau, C. Y. Yeh, S. M. Zakeeruddin, M. Gratzel, Science 2011, 334, 629-634.
[9] http://www.tdp-dsc.com/about.php.
[10] A. Reynal, E. Palomares, Eur. J. Inorg. Chem. 2011, 4509-4526.
[11] M. Grätzel, Nature 2001, 414, 338-344.
[12] G. Boschloo, E. A. Gibson, A. Hagfeldt, J Phys Chem Lett 2011, 2, 3016-3020.
[13] N. Robertson, Angew Chem Int Ed Engl 2006, 45, 2338-2345.
[14] J. Bisquert, M. Gratzel, Q. Wang, F. Fabregat-Santiago, J. Phys. Chem. B 2006, 110, 11284-11290.
[15] L. M. Goncalves, V. de Zea Bermudez, H. A. Ribeiro, A. M. Mendes, Energy Environ. Sci. 2008, 1, 655-667.
[16] S. F. Zhang, X. D. Yang, Y. H. Numata, L. Y. Han, Energy Environ. Sci. 2013, 6, 1443-1464.
[17] A. Islam, H. Sugihara, H. Arakawa, Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 2003, 158, 131-138.
[18] (a) G. Oskam, B. V. Bergeron, G. J. Meyer, P. C. Searson, J. Phys. Chem. B 2001, 105, 6867-6873; (b) T. Daeneke, A. J. Mozer, Y. Uemura, S. Makuta, M. Fekete, Y. Tachibana, N. Koumura, U. Bach, L. Spiccia, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 16925-16928.
[19] (a) M. K. Nazeeruddin, A. Kay, I. Rodicio, R. Humphry-Baker, E. Mueller, P. Liska, N. Vlachopoulos, M. Graetzel, J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 6382-6390; (b) M. Gratzel, Acc. Chem. Res. 2009, 42, 1788-1798.
[20] M. K. Nazeeruddin, A. Kay, I. Rodicio, R. Humphrybaker, E. Muller, P. Liska, N. Vlachopoulos, M. Grätzel, J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 6382-6390.
[21] P. Péchy, T. Renouard, S. M. Zakeeruddin, R. Humphry-Baker, P. Comte, P. Liska, L. Cevey, E. Costa, V. Shklover, L. Spiccia, G. B. Deacon, C. A. Bignozzi, M. Grätzel, J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 1613-1624.
[22] P. Wang, S. M. Zakeeruddin, J. E. Moser, M. K. Nazeeruddin, T. Sekiguchi, M. Grätzel, Nat Mater 2003, 2, 402-407.
[23] P. Wang, S. M. Zakeeruddin, J. E. Moser, R. Humphry-Baker, P. Comte, V. Aranyos, A. Hagfeldt, M. K. Nazeeruddin, M. Grätzel, Adv. Mater. 2004, 16, 1806-+.
[24] P. Wang, C. Klein, R. Humphry-Baker, S. M. Zakeeruddin, M. Grätzel, J. Am. Chem. Soc. 2004, 127, 808-809.
[25] C.-Y. Chen, S.-J. Wu, C.-G. Wu, J.-G. Chen, K.-C. Ho, Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 5822-5825.
[26] C. Y. Chen, S. J. Wu, J. Y. Li, C. G. Wu, J. G. Chen, K. C. Ho, Adv. Mater. (Weinheim, Ger.) 2007, 19, 3888-+.
[27] M. Garcia-Iglesias, L. Pelleja, J.-H. Yum, D. Gonzalez-Rodriguez, M. K. Nazeeruddin, M. Grätzel, J. N. Clifford, E. Palomares, P. Vazquez, T. Torres, Chem. Sci. 2012, 3, 1177-1184.
[28] T. Bessho, E. Yoneda, J.-H. Yum, M. Guglielmi, I. Tavernelli, H. Imai, U. Rothlisberger, M. K. Nazeeruddin, M. Grätzel, J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 5930-5934.
[29] C. C. Chou, K. L. Wu, Y. Chi, W. P. Hu, S. J. Yu, G. H. Lee, C. L. Lin, P. T. Chou, Angew Chem Int Ed Engl 2011, 50, 2054-2058.
[30] C. W. Hsu, S. T. Ho, K. L. Wu, Y. Chi, S. H. Liu, P. T. Chou, Energy Environ. Sci. 2012, 5, 7549-7554.
[31] K.-L. Wu, H.-C. Hsu, K. Chen, Y. Chi, M.-W. Chung, W.-H. Liu, P.-T. Chou, Chem. Commun. 2010, 46, 5124.
[32] K. L. Wu, W. P. Ku, J. N. Clifford, E. Palomares, S. T. Ho, Y. Chi, S. H. Liu, P. T. Chou, M. K. Nazeeruddin, M. Gratzel, Energy Environ. Sci. 2013, 6, 859-870.
[33] R. Argazzi, G. Larramona, C. Contado, C. A. Bignozzi, Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 2004, 164, 15-21.
[34] T. Kinoshita, J. Fujisawa, J. Nakazaki, S. Uchida, T. Kubo, H. Segawa, J Phys Chem Lett 2012, 3, 394-398.
[35] K.-L. Wu, S.-T. Ho, C.-C. Chou, Y.-C. Chang, H.-A. Pan, Y. Chi, P.-T. Chou, Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 5642-5646.
[36] N. Koumura, Z. S. Wang, S. Mori, M. Miyashita, E. Suzuki, K. Hara, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 14256-14257.
[37] Y. Numata, A. Islam, H. Chen, L. Y. Han, Energy Environ. Sci. 2012, 5, 8548-8552.
[38] W. Zhu, Y. Wu, S. Wang, W. Li, X. Li, J. Chen, Z.-s. Wang, H. Tian, Adv. Funct. Mater. 2011, 21, 756-763.
[39] A. Hagfeldt, G. Boschloo, L. Sun, L. Kloo, H. Pettersson, Chem. Rev. 2010, 110, 6595-6663.
[40] Y. W. Yushuai Shi, Min Zhang and Xiandui Dong, Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13, 14590–14597.
[41] G. Boschloo, S. M. Feldt, E. A. Gibson, E. Gabrielsson, L. Sun, A. Hagfeldt, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 16714-16724.
[42] S. Nakade, T. Kanzaki, W. Kubo, T. Kitamura, Y. Wada, S. Yanagida, J. Phys. Chem. B 2005, 109, 3480-3487.
[43] R. Katoh, M. Kasuya, S. Kodate, A. Furube, N. Fuke, N. Koide, J. Phys. Chem. C 2009, 113, 20738-20744.
[44] U. Bach, D. Lupo, P. Comte, J. E. Moser, F. Weissortel, J. Salbeck, H. Spreitzer, M. Grätzel, Nature 1998, 395, 583-585.
[45] N. Cai, S. J. Moon, L. Cevey-Ha, T. Moehl, R. Humphry-Baker, P. Wang, S. M. Zakeeruddin, M. Gratzel, Nano Lett. 2011, 11, 1452-1456.
[46] I. Chung, B. Lee, J. He, R. P. H. Chang, M. G. Kanatzidis, Nature 2012, 485, 486-489.
[47] T. N. M. Seigo Ito, Pascal Comte , Paul Liska, Carole Grätzel ,, M. G. Mohammad K. Nazeeruddin, Thin Solid Films 2008, 516, 4613– 4619.
[48] 清大材料系汪于仕同學碩士論文.
[49] (a) A. Y. Anderson, P. R. F. Barnes, J. R. Durrant, B. C. O'Regan, J. Phys. Chem. C 2010, 114, 1953-1958; (b) B. C. O'Regan, K. Bakker, J. Kroeze, H. Smit, P. Sommeling, J. R. Durrant, J. Phys. Chem. B 2006, 110, 17155-17160.
[50] M. A. Elban, W. Sun, B. M. Eisenhauer, R. Gao, S. M. Hecht, Org. Lett. 2006, 8, 3513-3516.
[51] S. C. Ceide, A. G. Montalban, Tetrahedron Lett. 2006, 47, 4415-4418.
[52] D. B. Harden, M. J. Mokrosz, L. Strekowski, J. Org. Chem. 1988, 53, 4137-4140.
[53] J. Garcia-Fortanet, F. Kessler, S. L. Buchwald, J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 6676-6677.
[54] (a) C. Genès, S. Michel, F. Tillequin, F.-H. Porée, Tetrahedron 2009, 65, 10009-10015; (b) J. B. Hendrickson, C. Rodriguez, J. Org. Chem. 1983, 48, 3344-3346.
[55] G. S. Welmaker, J. E. Sabalski, Tetrahedron Lett. 2004, 45, 4851-4854.
[56] M. Akhtaruzzaman, Y. Seya, N. Asao, A. Islam, E. Kwon, A. El-Shafei, L. Han, Y. Yamamoto, J. Mater. Chem. 2012, 22, 10771.
[57] Y. S. Akira Miyashita, Kiyono Ohta, and Takeo Higashino, Heterocycles 1994, 39, 345.
[58] J. Easmon, G. Purstinger, K. S. Thies, G. Heinisch, J. Hofmann, J. Med. Chem. 2006, 49, 6343-6350.
[59] M. W. Chung, T. Y. Lin, C. C. Hsieh, K. C. Tang, H. Fu, P. T. Chou, S. H. Yang, Y. Chi, J. Phys. Chem. A 2010, 114, 7886-7891.
[60] S. E. Koops, B. C. O'Regan, P. R. Barnes, J. R. Durrant, J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 4808-4818.
[61] A. H. G. William Dalby Brown, Synthesis 2002, 1, 83-86.
[62] C. Giordano, F. Minisci, E. Vismara, S. Levi, J. Org. Chem. 1986, 51, 536-537.
[63] M. K. Nazeeruddin, C. Klein, P. Liska, M. Gratzel, Coord. Chem. Rev. 2005, 249, 1460-1467.
全文公開日期 本全文未授權公開 (校內網路)全文公開日期 本全文未授權公開 (校外網路)