我們成功合成出以5,10-diphenyldibenzopentalene (DPI) 為共振主體，共六個DPI衍生物，分別應用於染料敏化電池 (dye-sensitized cells, DSCs) 與鈣鈦礦電池 (perovskite cells, PCs)。
論文分為兩部分，第一部分是以DPI主體，連接推電子團之苯胺及拉電子團兼錨基之cyanoacrylic acid或carboxylic acid的染料分子，應用於DSCs，探討染料之光物理、電化學和理論計算，此外我們得知染料在TiO2上的吸附量會影響到電池的電壓與效率。
第二部分是以DPI主體，連接推電子團之diphenylamine或carbazole的電洞傳輸材料，應用於PCs，量測材料之物理化學性質與晶體結構，由於材料結構平面性佳，影響元件製作之材料旋轉塗佈後，表面不均勻的現象，導致電池元件最高效率只達Spiro-OMeTAD效率的24%。
關鍵字: 染料敏化電池;鈣鈦礦電池

5,10-Diphenyldibenzopentalene (DPI)-based small molecules were first used in the applications for organic dye-sensitized cells (DSCs) and perovskite cells (PCs).
We synthesized the dyes using DPI as π-linker, phenyl or thiophene as conjugated spacer, arylamine as the donor, cyanoacrylic acid or carboxylic acid as both the acceptor and anchor for DSCs. The absorption spectra, electrochemical properties and theoretical calculations for the dyes were measured and characterized. It was found that the adsorption amount of dyes on TiO2 affected the open circuit voltage and the performance of the devices.
In addition, we also synthesized using diphenylamine or carbazole as donor and they were applied to hole transporting material for PCs. We measured absorption spectrum, electrochemical properties, theoretical calculations, crystal structures and devices. On the spin-coating process, materials had aggregation effect and surface of materials appeared a little crack such that affected the cell performance. The best efficiency only reached 24% of the standard cell Spiro-OMeTAD.

目錄
第一章 緒論………………………………………………....…………..1
1-1 全球能源危機……………………………………………………...2
1-2 不可再生的化石和核燃料對環境的影響………………………...3
1-3 可再生能源的發展………………………………………………...4
1-4 太陽能電池的介紹………………………………………………...6
1-5 染料敏化太陽能電池的簡介……………………………………...9
1-5-1 染料敏化太陽能電池的基本結構…………………………...10
1-5-1-1 導電玻璃基板……………………………………………..10
1-5-1-2 二氧化鈦光導電極………………………………………..11
1-5-1-3 染料……………..…………………………………………11
1-5-1-4 電解質……………………………………………………..12
1-5-1-5 輔助電極…………………………………………………..12
1-5-2 染料敏化太陽能電池的發電原理……………………..…….13
1-5-3 染料分子的設計……………………………………..……….14
1-6 鈣鈦礦電池的簡介…………………………………..…………...16
1-6-1 鈣鈦礦電池的基本結構……………………………..……….17
1-6-1-1 導電玻璃基板………………………………………..……17
1-6-1-2 二氧化鈦光導電極………………………..………………17
III
1-6-1-3 鈣鈦礦材料………………………………………..………18
1-6-1-4 電洞傳輸材料……………………..………………………18
1-6-1-5 輔助電極………………………..…………………………19
1-6-2 鈣鈦礦的發電原理…………………………..……………….19
1-7 太陽能電池效率的參數…………………………..……………...20
1-8 研究動機…………………………………………..……………...21
第二章 合成流程與實驗方法…………………………………………23
 2-1 染料和電洞傳輸材料的合成流程………………………..……...24
 2-2 實驗儀器…………………………………………………..……...37
 2-3 實驗藥品與溶劑…………………………………………..…...…39
第三章 結果與討論……………………………………………………41
 3-1 染料敏化電池………………………………………………..…...42
3-1-1 光物理性質……………………..…………………………….42
3-1-2 電化學性質…..……………………………………………….46
3-1-3 理論計算…………………………..………………………….48
3-1-4 染料敏化電池的元件效率與染料吸附量.………..……...….52
3-2 鈣鈦礦電池……………..………………………………………...59
IV
3-2-1 光物理性質……………………………………..………….....59
3-2-2 電化學性質………………………………………………..….60
3-2-3 DPI-5之晶體結構…………………………………………..…63
3-2-4 鈣鈦礦電池的元件效率與探討……………………………...64
第四章 結論……………………………………………………....……67
4-1 染料敏化電池之結論…………..………………………………...68
4-2 鈣鈦礦電池之結論……………..…………………………...……68
第五章 實驗步驟………………………………………………………70
參考文獻………………………………………………………………..96
附圖……………………………………………………………………..99
V
圖目錄
圖1-1、全球太陽能電力系統年裝置量………………........……………5
圖1-2、太陽能電池依所使用材料之分類表…........................................8
圖1-3、M. Grätzel和電池成品…………………….…….…..…………..9
圖1-4、染料敏化太陽能電池基本結構之示意圖………..……..……..10
圖1-5、染料敏化太陽能電池發電原理之示意圖………...…….……..13
圖1-6、Ru-bipyridine complex (N3、N719、black dye) 的分子結構......14
圖1-7、純有機染料的設計結構之示意圖………………………..........15
圖1-8、三維鈣鈦礦結構之示意圖…………………………….…….....16
圖1-9、鈣鈦礦電池基本結構之示意圖……………………….…….....17
圖1-10、奈米層加緻密層的二氧化鈦之示意圖……….……..…….....18
圖1-11、Spiro-MeOTAD的分子結構…………………………...…...…19
圖1-12、太陽能電池之電流-電壓特性圖 (J-V curve)……...…..…..…20
圖1-13、Diphenyldibenzopentalene結構……………………...…….….22
圖2-1、Sonogashira coupling反應……………………………...……....25
圖2-2、Homocoupling proposed catalytic cycle…………….......………27
圖2-3、Buchwald-Hartwig coupling反應…….………………...………29
圖2-4、Suzuki coupling反應…….……………………………...………31
圖2-5、Miyaura borylation反應………………………………...………33
VI
圖2-6、Knoevenagel condensation reaction…………………….………34
圖2-7、DPI系列之合成流程圖………………………………...………36
圖3-1、DPI-1、DPI-2、DPI-3和DPI-4在THF溶劑下之吸收光譜…….42
圖3-2、DPI-4與中間物2d和2e在THF溶劑下之吸收光譜………......44
圖3-3、DPI-1、DPI-2、DPI-3和DPI-4在TiO2薄膜上之吸收光譜….....45
圖3-4、DPI染料分子的循環伏安法圖 (CV)………..………...………46
圖3-5、DPI系列染料之能階示意圖…………………………...………48
圖3-6、理論計算DPI系列染料分子之電子雲分佈……………..…….49
圖3-7、主體結構與不同共軛片段之二面角…………………….…….50
圖3-8、染料分子吸附於TiO2呈現的顏色…………….......……...…....52
圖3-9、DPI-4與DPI-4 吸附在 TiO2之IR光譜……………………...53
圖3-10、CDCA分子結構………………………………………..…….53
圖3-11、DPI系列染敏元件在光強度AM1.5G下之J-V曲線圖……....54
圖3-12、DPI系列染敏元件在LED-600 lux下之J-V曲線圖…..……...55
圖3-13、DPI系列染敏元件在T5-600 lux下之J-V曲線圖……….…...56
圖3-14、DPI-5和DPI-6分子在THF溶劑下之吸收光譜……………...59
圖3-15、DPI-5和DPI-6分子的循環伏安法圖 (CV)…..……………...61
圖3-16、Spiro-OMeTAD、DPI-5和DPI-6之能階示意圖…………..….62
圖3-17、DPI-5之晶體結構……………………………………...……...63
VII
圖3-18、Spiro-OMeTAD、DPI-5和DPI-6之J-V曲線圖…............……65
表目錄
表3-1、DPI系列染料分子在THF溶劑下之光物理性質……………...43
表3-2、DPI系列染料分子之電化學性質…………………...…………47
表3-3、DPI-1和DPI-2理論計算之相關數據……………………….....51
表3-4、DPI系列染料分子吸附於TiO2之吸附量……………….……..52
表3-5、DPI系列染料分子在光強度AM1.5G下的元件效率整理……54
表3-6、DPI系列染料分子在LED-600 lux下的元件效率整理……….55
表3-7、DPI系列染料分子在T5-600 lux下的元件效率整理………....56
表3-8、DPI系列 + CDCA在T5-600 lux下的元件效率整理………57
表3-9、DPI-5和DPI-6分子在THF溶劑下之光物理性質………….....60
表3-10、DPI-5和DPI-6分子之電化學性質………………………..….61
表3-11、Spiro-OMeTAD、DPI-5和DPI-6之效率整理…..………..…...65
表S1、CheckCIF/PLATON report for DPI-5…………....……………..136
表S2、Bond length [Å]、angle [°] and torsion [°] for DPI-5………...…137
VIII
附圖目錄
附圖1、化合物1a之1H NMR (300 MHz) 及局部放大光譜圖…..….100
附圖2、化合物1a之13C NMR (75 MHz) 光譜圖…………………....101
附圖3、化合物1b之1H NMR (300 MHz) 及局部放大光譜圖….......102
附圖4、化合物1b之13C NMR (75 MHz) 光譜圖及質譜圖………....103
附圖5、化合物1c之1H NMR (300 MHz) 及局部放大光譜圖….......104
附圖6、化合物1c之13C NMR (75 MHz) 光譜圖及質譜圖………....105
附圖7、化合物1d之1H NMR (300 MHz) 及局部放大光譜圖…..….106
附圖8、化合物1d之13C NMR (75 MHz) 光譜圖及質譜圖……........107
附圖9、化合物1e之1H NMR (300 MHz) 及局部放大光譜圖…..….108
附圖10、化合物1e之13C NMR (75 MHz) 光譜圖及質譜圖…..……109
附圖11、化合物DPI-1之1H NMR (600 MHz) 及局部放大光譜圖…110
附圖12、化合物DPI-1之13C NMR (150 MHz) 光譜圖及質譜圖......111
附圖13、化合物1f之1H NMR (300 MHz) 及局部放大光譜圖…..…112
附圖14、化合物1f之13C NMR (75 MHz) 光譜圖及質譜圖……..….113
附圖15、化合物DPI-2之1H NMR (300 MHz) 及局部放大光譜圖...114
附圖16、化合物DPI-2之質譜圖...……………………………………115
附圖17、化合物1g之1H NMR (300 MHz) 及局部放大光譜圖….....116
附圖18、化合物1g之13C NMR (75 MHz) 光譜圖及質譜圖……..…117
IX
附圖19、化合物DPI-3之1H NMR (600 MHz) 及局部放大光譜…...118
附圖20、化合物DPI-3之13C NMR (150 MHz) 光譜圖及質譜圖…..119
附圖21、化合物1h之1H NMR (300 MHz) 及局部放大光譜圖….....120
附圖22、化合物1h之13C NMR (75 MHz) 光譜圖……………..……121
附圖23、化合物2a之1H NMR (300 MHz) 光譜圖……………..…...122
附圖24、化合物2a之13C NMR (75 MHz) 光譜圖……..……………122
附圖25、化合物2b之1H NMR (300 MHz) 光譜圖………..………...123
附圖26、化合物2b之13C NMR (75 MHz) 光譜圖……………..……123
附圖27、化合物2c之1H NMR (300 MHz) 及局部放大光譜圖….....124
附圖28、化合物2c之13C NMR (75 MHz) 光譜圖…………..………125
附圖29、化合物2d之1H NMR (300 MHz) 及局部放大光譜圖….....126
附圖30、化合物2d之13C NMR (75 MHz) 光譜圖及質譜圖……..…127
附圖31、化合物2e之1H NMR (300 MHz) 及局部放大光譜圖….....128
附圖32、化合物2e之13C NMR (75 MHz) 光譜圖及質譜圖……..…129
附圖33、化合物DPI-4之1H NMR (600 MHz) 及局部放大光譜圖...130
附圖34、化合物DPI-4之13C NMR (150 MHz) 光譜圖及質譜圖......131
附圖35、化合物DPI-5之1H NMR (600 MHz) 及局部放大光譜…...132
附圖36、化合物DPI-5之13C NMR (150 MHz) 光譜圖及質譜圖..…133
附圖37、化合物DPI-6之1H NMR (600 MHz) 及局部放大光譜圖...134
X
附圖38、化合物DPI-6之13C NMR (150 MHz) 光譜圖及質譜圖…..135XI

1. 楊德仁, “太陽能電池材料” 五南圖書出版股份有限公司, 2008
2. 張正華, 李陵嵐, 葉楚平, 楊平華, “有機與塑膠太陽能電池” 五南圖書出版股份有限公司, 2007
3. 林明獻, “太陽電池技術入門” 全華圖書股份有限公司, 2011
4. Tsubomura, H.; Matsumura, M.; Nomura, Y.; Amamiya, T. Nature 1976, 261, 402.
5. O’Regan, B.; Grätzel, M. Nature 1991, 353, 737.
6. Wu, J. H.; Lan, Z.; Lin, J. M.; Huang, M. L.; Huang, Y. F.; Fan, L. Q.; Luo, G. G. Chem.Rev. 2015, 115, 2136.
7. Hara, K.; Arakawa, H. Handbook of Photovoltaic Science and Engineering 2005.
8. Kim, H. S.; Lee, C. R.; Im, J. H.; Lee, K. B.; Moehl, T.; Marchioro, A.;  Moon, S. J.; Humphry-Baker, R.; Yum, J. H.; Moser, J. E.; Grätzel, M.; Park, N. G. Sci. Rep. 2012, 2, 591.
9. Ye, M. D.; Hong, X. D.; Zhang, F. Y.; Liu, X. Y. J. Mater. Chem. A 2016, 4, 6755.
10. Noh, J. H.; Jeon, N. J.; Choi, Y. C.; Nazeeruddin, M. K.; Grätzel, M.; Sang, S. J. Mater. Chem. A 2013, 1, 11842.
11. Hao, C. C.; Stoumpos, D. H.; Cao, R. P. H.; Chang, M. G.; Kanatzidis, Nat. Photonics 2014, 8, 489.
12. Christians, J. A.; Fung, R. C. M.; Kamat, P. V. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 758.
13. Maekawa, T.; Segawa, Y.; Itami, K. Chem. Sci. 2013, 4, 2369.
14. Xu, F.; Peng, L.; Orita, A.; Otera, J. Org. Lett. 2012, 14, 3970.
15. Sonogashira, K. J. Organomet. Chem. 2002, 653, 46.
16. Shen, J. J.; Yuan, D. F.; Qiao, Y.; Shen, X. X.; Zhang, Z. B.; Zhong, Y. W.; Yi, Y. P.; Zhu, X. Z. Org. Lett. 2014, 16, 4924.
17. Suzuki, Y.; Takeuchi, K.; Kodomari, M. J. Chem. Res. (S) 1997, 11, 426.
18. Surry, D. S.; Buchwald, S. L. Chem. Sci. 2011, 2, 27.
19. Miyaura, N.; Yamada, K.; Suzuki, A. Tetrahedron Lett. 1979, 20, 3437.
20. Ishiyama, T.; Murata, M.; Miyaura, N. J. Org. Chem. 1995, 60, 7508.
21. Knoevenagel, E. Justus Liebigs Ann. Chem. 1894, 281, 25.
22. Chaurasia, S.; Ni, J.S.; Hung, W. I.; Lin, J. T. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2015, 7, 22046.
23. Ting, H. C.; Tsai, C. H.; Chen, J. H.; Lin, L. Y.; Chou, S. H.; Wong, K. T.; Huang, T. W.; Wu, C. C. Org. Lett. 2012, 14, 6150.
24. Calil, L.; Kazim, S.; Grätzel, M.; Ahmad, S. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 14522.
25. Hwang, Y. J.; Li, H. Y.; Courtright B. A. E.; Subramaniyan S.; Jenekhe S. A. Adv. Mater. 2016, 28, 124.