一种五元稠杂环π桥光敏剂的合成及光伏性能的研究
目 录
引言 6
第一章文献综述 8
1.1 太阳能转化分类 8
1.2太阳能电池 8
1.2.1太阳能电池的分类 9
1.3染料敏化太阳能电池 9
1.3.1染料敏化太阳能电池的优势 10
1.3.2染料敏化太阳能电池的结构组成 10
1.3.3染料敏化太阳能电池的工作原理 11
1.3.4染料敏化太阳能电池的性能参数 12
1.4有机染料光敏剂 13
1.4.1有机染料光敏剂的种类 14
1.4.2有机染料敏化太阳能电池光电转化率发展趋势 19
1.5 论文选题依据和主要研究内容 20
1.5.1论文选题依据 20
1.5.2主要研究内容 20
第二章实验部分 21
2.1实验仪器及试剂 21
2.1.1仪器 21
2.1.2试剂 22
2.2试剂的纯化 22
2.3反应后处理 23
2.3.1萃取 23
2.3.2旋蒸 24
2.3.3过柱分离 24
第三章化合物合成 26
3.1 化合物X1602的合成 26
3.2化合物X1603的合成 26
3.3化合物X1604的合成 27
3.4 化合物X1605的合成 28
3.5化合物X1606的合成 29
3.6化合物X1502的合成 29
3.7化合物X1503的合成 31
3.8化合物X1607的合成 34
3.9化合物X16 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
08的合成 36
3.10化合物X1609的合成 38
3.11化合物X1610的合成 39
结论 40
致谢 41
参考文献 42
引言
当今社会经济发展迅速，科技日益发达。但随之而来的能源危机也越益明显。目前人类所依赖的最主要能源大多来源于不可再生化石能源。比如煤、石油、天然气等。该类能源存在一定的隐患，譬如污染大，资源有限，受地理条件限制，且适用范围局限。所以为了维持人类发展需求，开发研究出新型可持续能源是人类发展的必然需要。毫无疑问，太阳能作为能源开发项目是最为吸引以及让人期待的。它有着不可再生化石能源所不能媲美的优点，完美的弥补了不可再生化石能源的缺陷。取之不尽用之不竭。因此，越来越多的科研人员开始着手研究太阳能的转化以及利用。
19世纪中期是最早关于太阳能电池的研究并开始发展的记录，法国科学家Heliri Becquerel等一些科学家最早发现了太阳能在光电转化方面的应用，但是在当时那个年代由于发展不全面，所以光电转化效率比较低，真正投入到实际应用方面并没有什么价值[1]。1954年，美国Chapin等科学家在贝尔实验发明出了光电转化效率达到6%的单晶硅太阳能电池为第一阶段，太阳能电池的发展也为此序幕[2]。科学家预计到2030年，可再生能源在总能源中将占到30%以上，到2040年，预计能占到50%以上，并且预计到21世纪末能够占到80%以上。这也标志着太阳能电池的必然发展趋势，以及它的无限美好的发展前景。太阳能电池将在未来能源领域占据主导地位[3]。
根据材料的不同，太阳能电池可以分为四种类型[4]：1）硅基太阳能电池，2）化合物薄膜太阳能电池，3）有机太阳能电池，4）染料敏化太阳能电池。染料敏化太阳能电池（Dye-sensitized solar cells，以下简称DSSCs）是由瑞士洛桑联邦理工的Gr?tzel等人于1991年率先取得突破性进展，所以DSSCs又可以叫做“Gr?tzel”电池。DSSCs在价格方面比较低廉，在制备方面的操作也是比较简单的并且在实际应用方面拥有广阔的前景，也因此，世界上越来越多的科研小组开始着手进行太阳能电池的研究[5]。
而在染料敏化太阳能电池中起核心作用的就是光敏剂。光敏剂它的主要是用来捕捉光子并且能够产生以及传递光子的。也正是因为光敏剂在染料敏化太阳能电池中占据着主导作用，使得它受到研究人员的着重开发以及研究，在科研界一直都是热门话题。染料光敏剂要想达到理想的状态其燃料分子就必须应该具备的以下特征[6]：能级匹配，有适合的螯合基团，波谱吸收范围较宽以及摩尔吸光系数较高，具有适合的空间位阻，能够对光和热有足够的稳定性。
由于人类在染料光敏剂的研究与发展，目前世界上所研发出来并已经得到应用的染料光敏剂已有数千种。如果将染料光敏剂按照其元素进行划分的话，大致可以分为以下三种：钌基类染料、卟啉类染料以及纯有机类染料。其中虽然钌基跟卟啉类染料光电性能都比较好[7]，但是在制备成本方面却比较高而且在分离的时候存在一定的难度。不仅如此，目前地壳中能够提取的元素钌非常的有限，钌基染料中还含有一些过渡金属，这些过渡金属一旦不经过处理而被直接丢弃会造成环境污染。纯有机染料却凭借着摩尔吸光系数高、制备成本较低、高效、结构多样且易于合成等等优点，受到了越来越多的关注[8]。经过20多年科学家的不懈努力，纯有机染料光敏剂的敏化太阳能电池的光电转化效率最高可达到14.3%的[9]。但是在实际应用方面还存在不足，比如染料敏化太阳能电池的光谱响应宽度较窄；电子注入能力较差。所以为了进一步优化，本论文将设计合成一种五元稠杂环π桥光敏剂。
第一章文献综述
1.1 太阳能转化分类
太阳能可以转化为热能、电能、光化学能。
1、光热转化
太阳能最直接最简单最普遍的转化利用就是光热转化利用，比如，太阳能热水器已经得到了普遍的使用。光热转化利用了收集太阳光辐射并将其转化成热能的原理。今后，科研人员将会开发和研究新型高效的太阳能集热器。
2、光化学转化
光化学利用的转化方式：这是科研人员研究发现的最具研究意义的太阳能利用。将光化学利用进行细致的区分可以分为四种：光分解反应、光合作用、光敏化学作用以及光电化学作用。其中对人类最有生存意义的作用是光合作用。
3、光电转化
由于人类科技不断的发展以及进步，且光电转化效率要高于光热转化效率，光电转化将代替光热转化占据主导地位。光电转化的利用原理大致可以分为两种方式：
(1)先将光能转化为热能再将热能转化为电能的转换方式：这种转化方式所利用的工作原理大致是，通过一种仪器（即太阳能集热器）将太阳光的辐射能收集集中起来，然后把收集来的辐射能转化成热能，在利用这个热能将水烧开变成水蒸汽，水蒸气在上升的过程能够带动机器转动，我们就可以通过机械能的转化来实现发电。用物理里面的说法就是先将光能转化为热能，再将热能转化为机械能，最后把机械能转化得到电能。
(2)直接将光能转化成电能的转换方式：这种转化方式利用的是一种光电转换材料，主要依据的工作原理是一种PN结电池结构，这种结构所采用的材料是半导体材料，而半导体材料可以使相同的材料也可以是不一样的两个材料组成。太阳光直接照射到这种材料的表面时，就可以通过PN结实现太阳能到电能的转化。
引言 6
第一章文献综述 8
1.1 太阳能转化分类 8
1.2太阳能电池 8
1.2.1太阳能电池的分类 9
1.3染料敏化太阳能电池 9
1.3.1染料敏化太阳能电池的优势 10
1.3.2染料敏化太阳能电池的结构组成 10
1.3.3染料敏化太阳能电池的工作原理 11
1.3.4染料敏化太阳能电池的性能参数 12
1.4有机染料光敏剂 13
1.4.1有机染料光敏剂的种类 14
1.4.2有机染料敏化太阳能电池光电转化率发展趋势 19
1.5 论文选题依据和主要研究内容 20
1.5.1论文选题依据 20
1.5.2主要研究内容 20
第二章实验部分 21
2.1实验仪器及试剂 21
2.1.1仪器 21
2.1.2试剂 22
2.2试剂的纯化 22
2.3反应后处理 23
2.3.1萃取 23
2.3.2旋蒸 24
2.3.3过柱分离 24
第三章化合物合成 26
3.1 化合物X1602的合成 26
3.2化合物X1603的合成 26
3.3化合物X1604的合成 27
3.4 化合物X1605的合成 28
3.5化合物X1606的合成 29
3.6化合物X1502的合成 29
3.7化合物X1503的合成 31
3.8化合物X1607的合成 34
3.9化合物X16 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
08的合成 36
3.10化合物X1609的合成 38
3.11化合物X1610的合成 39
结论 40
致谢 41
参考文献 42
引言
当今社会经济发展迅速，科技日益发达。但随之而来的能源危机也越益明显。目前人类所依赖的最主要能源大多来源于不可再生化石能源。比如煤、石油、天然气等。该类能源存在一定的隐患，譬如污染大，资源有限，受地理条件限制，且适用范围局限。所以为了维持人类发展需求，开发研究出新型可持续能源是人类发展的必然需要。毫无疑问，太阳能作为能源开发项目是最为吸引以及让人期待的。它有着不可再生化石能源所不能媲美的优点，完美的弥补了不可再生化石能源的缺陷。取之不尽用之不竭。因此，越来越多的科研人员开始着手研究太阳能的转化以及利用。
19世纪中期是最早关于太阳能电池的研究并开始发展的记录，法国科学家Heliri Becquerel等一些科学家最早发现了太阳能在光电转化方面的应用，但是在当时那个年代由于发展不全面，所以光电转化效率比较低，真正投入到实际应用方面并没有什么价值[1]。1954年，美国Chapin等科学家在贝尔实验发明出了光电转化效率达到6%的单晶硅太阳能电池为第一阶段，太阳能电池的发展也为此序幕[2]。科学家预计到2030年，可再生能源在总能源中将占到30%以上，到2040年，预计能占到50%以上，并且预计到21世纪末能够占到80%以上。这也标志着太阳能电池的必然发展趋势，以及它的无限美好的发展前景。太阳能电池将在未来能源领域占据主导地位[3]。
根据材料的不同，太阳能电池可以分为四种类型[4]：1）硅基太阳能电池，2）化合物薄膜太阳能电池，3）有机太阳能电池，4）染料敏化太阳能电池。染料敏化太阳能电池（Dye-sensitized solar cells，以下简称DSSCs）是由瑞士洛桑联邦理工的Gr?tzel等人于1991年率先取得突破性进展，所以DSSCs又可以叫做“Gr?tzel”电池。DSSCs在价格方面比较低廉，在制备方面的操作也是比较简单的并且在实际应用方面拥有广阔的前景，也因此，世界上越来越多的科研小组开始着手进行太阳能电池的研究[5]。
而在染料敏化太阳能电池中起核心作用的就是光敏剂。光敏剂它的主要是用来捕捉光子并且能够产生以及传递光子的。也正是因为光敏剂在染料敏化太阳能电池中占据着主导作用，使得它受到研究人员的着重开发以及研究，在科研界一直都是热门话题。染料光敏剂要想达到理想的状态其燃料分子就必须应该具备的以下特征[6]：能级匹配，有适合的螯合基团，波谱吸收范围较宽以及摩尔吸光系数较高，具有适合的空间位阻，能够对光和热有足够的稳定性。
由于人类在染料光敏剂的研究与发展，目前世界上所研发出来并已经得到应用的染料光敏剂已有数千种。如果将染料光敏剂按照其元素进行划分的话，大致可以分为以下三种：钌基类染料、卟啉类染料以及纯有机类染料。其中虽然钌基跟卟啉类染料光电性能都比较好[7]，但是在制备成本方面却比较高而且在分离的时候存在一定的难度。不仅如此，目前地壳中能够提取的元素钌非常的有限，钌基染料中还含有一些过渡金属，这些过渡金属一旦不经过处理而被直接丢弃会造成环境污染。纯有机染料却凭借着摩尔吸光系数高、制备成本较低、高效、结构多样且易于合成等等优点，受到了越来越多的关注[8]。经过20多年科学家的不懈努力，纯有机染料光敏剂的敏化太阳能电池的光电转化效率最高可达到14.3%的[9]。但是在实际应用方面还存在不足，比如染料敏化太阳能电池的光谱响应宽度较窄；电子注入能力较差。所以为了进一步优化，本论文将设计合成一种五元稠杂环π桥光敏剂。
第一章文献综述
1.1 太阳能转化分类
太阳能可以转化为热能、电能、光化学能。
1、光热转化
太阳能最直接最简单最普遍的转化利用就是光热转化利用，比如，太阳能热水器已经得到了普遍的使用。光热转化利用了收集太阳光辐射并将其转化成热能的原理。今后，科研人员将会开发和研究新型高效的太阳能集热器。
2、光化学转化
光化学利用的转化方式：这是科研人员研究发现的最具研究意义的太阳能利用。将光化学利用进行细致的区分可以分为四种：光分解反应、光合作用、光敏化学作用以及光电化学作用。其中对人类最有生存意义的作用是光合作用。
3、光电转化
由于人类科技不断的发展以及进步，且光电转化效率要高于光热转化效率，光电转化将代替光热转化占据主导地位。光电转化的利用原理大致可以分为两种方式：
(1)先将光能转化为热能再将热能转化为电能的转换方式：这种转化方式所利用的工作原理大致是，通过一种仪器（即太阳能集热器）将太阳光的辐射能收集集中起来，然后把收集来的辐射能转化成热能，在利用这个热能将水烧开变成水蒸汽，水蒸气在上升的过程能够带动机器转动，我们就可以通过机械能的转化来实现发电。用物理里面的说法就是先将光能转化为热能，再将热能转化为机械能，最后把机械能转化得到电能。
(2)直接将光能转化成电能的转换方式：这种转化方式利用的是一种光电转换材料，主要依据的工作原理是一种PN结电池结构，这种结构所采用的材料是半导体材料
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