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研究生: 周怡滿
Chou, Yi-Man
論文名稱: 吡咯[3, 4-b]吲哚雜環的合成研究與在光敏太陽能電池染料的應用
指導教授: 沙晉康
Sha, Chin-Kang
口試委員:
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: 2009
畢業學年度: 97
語文別: 中文
論文頁數: 158
中文關鍵詞: 吡咯[3, 4-b]吲哚雜環光敏太陽能電池染料
外文關鍵詞: Pyrrolo [3,4-b] indole, Dye-Sensitized Solar Cells
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  • 本篇論文運用本實驗室所開發的「丙二酸酯脫去反應」(retro-malonate addition reaction),以吡咯吲哚做為共軛架橋連接不同的電子受體和扮演電子予體的氰基乙酸,成功合成了一系列吡咯[3,4-b] 吲哚衍生物IP1~IP4的有機染料分子。並對此系列分子進行光譜、光學元件和電化學等物理性質之測試,應用為光敏太陽能電池之染料。由吸收光譜可知IP1~IP4皆有π-π* transition和charge transition,最大吸收峰和消光係數數值為:IP1(446nm, ε = 22650 M-1 cm-1)、IP2(448nm, ε = 15420 M-1 cm-1)、IP3(451nm, ε = 15394 M-1 cm-1)、IP4(432nm, ε = 9804 M-1 cm-1)。電化學測試結果,四個染料LUMO在- 2.4 eV~ - 2.8 eV,HOMO在- 4.9 eV ~ - 5.2 eV,就其能階表現,皆可以應用於光敏太陽能電池的染料。理論計算結果顯示此系列的共軛性和平面性不足,造成電荷分散能力較不佳。光電轉換效率最高的為IP1(η = 1.70%, Jsc = 4.69 mAcm–2, Voc = 0.51 V, ff = 0.71),IPCE可見光最大吸收波長處轉換率為45%;IP2~IP4效率皆在1%左右,IPCE的可見光最大吸收波長處轉換率為30%。。


    Using our method of retro-malonate addition reaction, we have synthesized series of dipolar dyes, IP1~IP4, containing pyrrolo[3,4-b] indole conjugate spacers between arylamine donor and the 2-cyanoacrylic acid acceptor. These exhibited both π-π* and charge-transfer transition in the absorption spectra. The maximum absorption peak of IP1~IP3 located at 446nm~451nm, and IP4 was at 432nm which revealed blue shift. By differential pulse voltammetry measurements, we observed that the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) of these dyes located between -2.4 eV and -2.8 eV and the highest occupied molecular orbital (HOMO) located between -4.9 eV and -5.2 eV. According to the HOMO and LUMO potentials, we believed that these compounds could be used on dye-sensitized solar cells. The results from quantum computation indicated that poor planarity and insufficient conjugation diminished the electron-transfer of these dyes. Dye-sensitized solar cells using these materials as the sensitizers exhibited conversion efficiencies ranging from 1.00% to 1.70%.

    目錄 摘要 Ι 謝誌 III 目錄 V 第一章 :緒論 § 1-1異駢芳香性雜環吡咯合成簡介 1 § 1-2染料敏化太陽能電池發展起源 8 § 1-3 DSSC 的結構及工作原理 11 § 1-4 DSSC 染料敏化劑的發展 15 § 1-5 DSSC 的效率測試與相關參數 23 第二章 :結果與討論 § 2-1研究目的 28 § 2-2敏化太陽能電池之染料合成研究 31 § 2-3染料光物理性質 42 § 2-4電化學性質 46 § 2-5元件的製作與性質 53 § 2-6理論計算 57 第三章 :結論 65 第四章 :實驗部分 § 4-1 實驗藥品和儀器 68 § 4-2 分析儀器 69 § 4-3 實驗步驟及光譜資料 73 參考文獻 101 附錄目錄 106 核磁共振光譜(NMR) 109 循環伏安氧化還原圖(CV) 153 差式脈波伏安法(DPV) 156 圖目錄 VII 表目錄 IX 圖目錄 圖1-1 異駢吡咯雜環化合物 1 圖1-2 文獻記載異吲哚3的合成研究 2 圖1-3 本實驗室已合成的異駢吡咯雜環 3 圖1-4 本實驗室應用於有機發光二極體材料的化合物 7 圖1-5 本實驗室應用於有機發光二極體材料的化合物 7 圖1-6 DSSC元件結構 11 圖1-7 DSSC 工作原理示意圖 12 圖1-8 太陽能電池內光電轉換氧化還原路徑的動力學 14 圖1-9 著名染料結構與轉換效率 15 圖1-10 2001年H. Arakawa 發表具代表性的三個Courmarin dye 16 圖1-11 2003年H. Arakawa 發表的polyene dye 17 圖1-12 2007年Hara et.al.發表的NKX系列染料 18 圖1-13 Licheng Sun發表的D5染料 18 圖1-14 TC1~TC4系列和TPAR系列染料結構 20 圖1-15 D系列染料結構 21 圖1-16 D21L6染料結構 22 圖1-17 一般太陽能電池電壓對電流曲線 23 圖1-18 一般DSSC的IPCE工作譜 25 圖1-19 太陽能電池測試標準示意圖 27 圖2-1 分子設計構想 29 圖2-2 分子設計構想來源 29 圖2-3 本論文設計之有機染料結構 30 圖2-4 有機染料IP1~IP4結構 42 圖2-5 IP1~IP4的紫外光可見光吸收光譜和放射光譜 43 圖2-6 吡咯雜環的電子非定域化 45 圖2-7 DSSC的工作原理和能階示意圖 46 圖2-8 差式脈波伏安法所施加之電位波形圖 48 圖2-9 染料IP1~IP4的CV圖 49 圖2-10 染料IP1~IP4的DPV圖 49 圖2-11 染料IP3、IP4和三苯基胺的CV圖 50 圖2-12 電化學量測和理論計算所得染料的相對能階高低 51 圖2-13 染料IP1~IP4的J-V元件效率圖 54 圖2-14 染料IP1~IP4的IPCE圖 56 圖2-15 IP1、IP2的Frontier Orbitals理論計算 58 圖2-16 IP3、IP4的Frontier Orbitals理論計算 59 圖2-17 基態和激發態間的Mulliken charges差值 62 圖2-18 相鄰的兩個芳香環或芳香環和氰基乙酸之間的兩面角 64 圖 3-1 IP1~IP4的D-π-A設計簡圖,以IP1為代表 65 圖 3-2 未來分子設計方向 67 表目錄 表1-1 太陽能電池種類及材料之比較 9 表1-2 TC1~TC4 的UV-VIS 吸收光譜數據 20 表2-1 IP1~IP4的光物理數據 43 表2-2 染料IP1~IP4的能階一覽表 51 表2-3 染料IP1~IP4元件表現的相關參數 54 表2-4 Calculated lower-lying transitions of the dyes. 61

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