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系統識別號 U0002-1408201710394800
中文論文名稱 簡便合成之二苯并噻吩染料應用於太陽光及室內光源下之染料敏化電池
英文論文名稱 Facile Synthesis of Dibenzothiophene-based Dyes for Dye-Sensitized Cells Under Solar and Indoor Light
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 化學學系碩士班
系所名稱(英) Department of Chemistry
學年度 105
學期 2
出版年 106
研究生中文姓名 柯子瑜
研究生英文姓名 Tzu-Yu Ko
學號 604160019
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2017-07-17
論文頁數 122頁
口試委員 指導教授-陳志欣
委員-林建村
委員-王伯昌
中文關鍵字 染料敏化電池  室內光  二苯并噻吩 
英文關鍵字 dye-sensitized cells  indoor light  dibenzothiophene 
學科別分類 學科別自然科學化學
中文摘要 以二苯并噻吩 (DBTO) 為主結構的五個衍生物 (JK-1 ~ JK-5) 作為染料敏化電池 (DSCs) 之染料並應用於太陽光及室內光源下。
DBTO曾被應用於其它光電材料上,但至今尚未有人將它用於染料敏化電池。因此,在論文中成功地合成出以三種推電子基及兩種連接基組合成五個染料結構,且在合成步驟上,主結構為已知物,我們僅需藉由三個反應步驟即可得到最終產物,再經由光物理性質、電化學性質、理論計算等,探討染料分子的特性。最後,元件測試的部分,太陽光下染料JK-2之光電轉換效率為3.18%;在T5室內光下,染料JK-5具有16.09%之光電轉換效率,達到N719%之80%。
英文摘要 Dibenzothiophene-based molecules have been used in optoelectronic devices such as organic light-emitting diodes with good results. However, it has never been used in the application of dye-sensitized cells. In this work, we synthesized five dibenzothiophene-based molecules with donor-π-bridge-acceptor structure (JK-1 ~ JK-5) in only three reaction steps. Then, we discussed the photophysical properties, electrochemical properties and computational studies of the molecules. We also tested the device performance of dyes under solar and indoor light. The DSCs of JK-2 exhibited a power conversion efficiency (PCE) of 3.18% under AM1.5 condition, while JK-5 reached as high as 16.09% under T5 light which can achieve 80% of N719 under indoor light.
論文目次 目錄
第一章 緒論 1
1-1 能源危機不再是無稽之談 1
1-2 石化及核電對環境的影響 3
1-3 替代能源的出現 5
1-3-1 風力 5
1-3-2 水力 6
1-3-3 地熱 6
1-3-4 太陽能 7
1-4 太陽能電池簡介 8
1-5 染料敏化太陽能電池組成 12
1-5-1 透明導電基板 14
1-5-2 半導體電極 14
1-5-3 染料 (感光劑) 15
1-5-4 電解質 16
1-5-5 輔助電極 17
1-6 染料敏化太陽能電池發電機制 18
1-7 感光分子的結構設計 20
1-7-1 金屬錯合物 (metal complex) 20
1-7-2 非金屬化合物 (metal-free compound) 22
1-8 太陽光及室內光的應用 25
1-9 太陽能電池元件的相關係數 28
1-9-1 開路電壓 28
1-9-2 短路電流 28
1-9-3 填充因子 29
1-9-4 入射單色光子-電子轉換效率 29
1-9-5 光電轉換效率 30
1-9-6 空氣質量 30
1-10 研究動機 31
第二章 實驗流程 38
2-1 染料合成路徑 38
2-2 實驗設計 40
2-3 實驗儀器 43
2-4 實驗藥品 46
第三章 結果與討論 48
3-1 介紹 48
3-2 染料分子 50
3-3 光物理性質 51
3-4 電化學性質 55
3-5 理論計算 58
3-6 太陽光下的元件效率與染料吸附量 62
3-7 室內光源下的元件效率 68
3-8 結論 72
3-9未來計畫 75
第四章 實驗步驟 77
參考文獻 91
附圖 94


圖目錄
(圖1-1) 台灣能源供給比例 (按自產與進口別) 2
(圖1-2) 世界能源年均增長 7
(圖1-3) 太陽能電池分類 10
(圖1-4) 染料敏化太陽能電池組成 13
(圖1-5) 多種半導體電極能階位置 15
(圖1-6) 染料敏化太陽能電池運作機制 18
(圖1-7) 釕金屬錯合物的結構 21
(圖1-8) 高效率之紫質染料及其共吸附劑 22
(圖1-9) 非金屬染料結構組成 22
(圖1-10) 高光電轉換效率之非金屬化合物染料 24
(圖1-11) (A) 染料Y1A1結構 (B) 染料Y1A1吸收光譜與室內燈放光光譜疊圖 26
(圖1-12) 太陽能電池之電流對電壓作圖 (J-V CURVE) 28
(圖1-13) DIBENZO[B,D]THIOPHENE 5,5-DIOXIDE結構 32
(圖1-14) 運用於單層發光材料DBTO衍生物1 – 4 34
(圖1-15) (A) 聚合物之結構 (B) 分子在薄膜上的吸收 35
(圖1-16) PITP、PISF及PPIB分子結構 36
(圖1-17) 染料PBDT-S0-DT0BT之結構 37
(圖2-1) DBTO在不同位置的取代 40
(圖3-1) 染料JK-1 ~ JK-5結構 50
(圖3-2) 染料JK-1 ~ JK-5在二氯甲烷溶劑中的吸收光譜 51
(圖3-3) 染料吸附於二氧化鈦薄膜之吸收光譜 53
(圖3-4) 染料吸附在二氧化鈦薄膜的實際顏色 53
(圖3-5) 循環伏安法測量染料分子之氧化電位 56
(圖3-6) 染料JK-1 ~ JK-5、電解質及二氧化鈦之能階對照圖 57
(圖3-7) 理論計算分子之鍵長 (黑色箭頭) 與兩面角 (紅色箭頭) 58
(圖3-8) 染料分子JK-1 ~ JK-5理論計算之電子分佈 61
(圖3-9) 染料吸附於奈米二氧化鈦薄膜上的顏色 62
(圖3-10) (A) 染料D719結構 (B) 太陽光下之電流對電壓作圖 63
(圖3-11) 染料2之結構 66
(圖3-12) 染料R1之結構 66
(圖3-13) 推電子基使用不同碳數之染料OMNC、CNC結構 67
(圖3-14) JK系列染料吸收光譜與 (A) T5燈管 (B) LED燈管放光光譜疊圖 68
(圖3-15) JK系列染料在 (A) T5燈管 (600 LUX, 1.76 W/M2) 及 (B) LED燈管 (600 LUX, 1.84 W/M2) 下的電流對電壓作圖 69
(圖3-16) 染料JK-6之中間物吸收光譜 76
表目錄
(表1-1) 導電材料ITO和FTO比較 14
(表1-2) DONOR, Π-BRIDGE, ACCEPTOR常見的官能團 23
(表2-1) 染料1、2之光電性質 41
(表3-1) 染料JK-1 ~ JK-5光學特性 54
(表3-2) 染料JK-1 ~ JK-5之電化學特性 57
(表3-3) 染料分子吸附於奈米二氧化鈦薄膜的吸附量 62
(表3-4) JK系列染料敏化太陽能電池元件性質 64
(表3-5) 染料OMNC、CNC之元件測試結果 67
(表3-6) JK系列染料在室內燈源下之性質 71
(表3-7) 染料JK-1和JK-6性質比較 74
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