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系統識別號 U0002-2407201913305900
中文論文名稱 以吲哚鎓為受體的染料在染料敏化電池上的應用
英文論文名稱 Organic sensitizers using indolium as acceptor for dye-sensitized cells
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 107
學期 2
出版年 108
研究生中文姓名 陳逸柔
研究生英文姓名 Yi-Rou Chen
學號 607160024
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2019-06-28
論文頁數 192頁
口試委員 指導教授-陳志欣
委員-王伯昌
委員-林建村
中文關鍵字 染料敏化電池  吲哚鎓  全太陽光譜  藍色染料 
英文關鍵字 Dye-sensitized cells  Indolium  Panchromatic  Blue dye 
學科別分類 學科別自然科學化學
中文摘要 第一部分,合成出六個非金屬染料分子,應用於染料敏化電池,染料分子使用不同電子供體 (D),芴 (fluorene) 作為共軛架橋,indolium作為電子受體 (A),這些D-π-A結構的染料展現全光譜的吸收特性,可以吸收來自可見光區和部分近紅外光區的能量。
第二部分,合成出八個非金屬染料分子 (YI dyes),應用於染料敏化電池,染料分子使用不同電子供體 (D),indolium作為電子受體 (A),這些D-A結構的染料,呈現較強的分子內電荷轉移,吸收主要在500-700 nm,且由於300-500 nm吸收少,染料分子是透明度高的藍色。
透過理論計算以及相關測量,得知這些染料分子的能階都是符合染料敏化電池的應用,最後在光強度AM 1.5及其他室內光源下測量YI dyes的元件效率。
英文摘要 In first part, we synthesized a series of metal-free organic dyes (TKU、YI dyes) by using different electron donors (D), fluorene as π-linker and indolium as the electron acceptor (A). These D-π-A dyes possess strong molecular dipole and exhibit panchromatic absorption spectra that cover both visible and near infrared region (300~1000 nm).
In second part, we synthesized a series of metal-free organic blue dyes (YI dyes) by using different electron donors (D) and indolium as the electron acceptor (A). These D-A dyes possessed strong molecular dipole and exhibited large intramolecular charge transfer (ICT) that mainly distributed in the range of 500-700 nm. The feature of these dyes is that they are in blue color and highly transparent, mainly due to the lack of absorption in the range 300-500 nm of visible light.
Computational studies of the dyes showed that the energy level of the dyes are favorable for DSCs applications. Finally, the performance of YI dyes under AM 1.5 condition and indoor light environments were characterized.
論文目次 目錄
第一章、緒論 1
1-1、全球能源危機 2
1-2、火力發電與核能發電的隱憂 4
1-3、替代能源的出現 6
1-3-1、風力 7
1-3-2、水力 7
1-3-3、地熱 7
1-3-4、生質能 8
1-3-5、太陽能 8
1-4、太陽能電池 10
1-4-1、矽太陽能電池 12
1-4-2、半導體薄膜太陽能電池 13
1-4-3、第三代太陽能電池 13
1-5、染料敏化電池 (DSCS) 15
1-6、染料敏化電池的組成 17
1-6-1、透明導電基板 18
1-6-2、半導體電極 18
1-6-3、光敏染料 (Photosensitizing dye) 19
1-6-4、電解質 20
1-6-5、輔助電極 21
1-7、染料敏化電池的發電原理 22
1-8、太陽能電池效率參數 24
1-8-1、開路電壓 (VOC) 25
1-8-2、短路電流 (JSC) 25
1-8-3、填充因子 (FF) 25
1-8-4、入射單色光子-電子轉換效率 26
1-8-5、光電轉換效率 26
1-8-6、空氣質量 26
1-9、太陽光譜中近紅外光的重要性 28
1-10、染料結構設計 29
1-10-1、金屬錯合物 (Metal Complex) 29
1-10-2、非金屬化合物 (Metal-free Compound) 31
1-11、研究動機 34
第二章、以INDOLIUM為電子受體的全可見光譜染料之合成、光物理性質探討及其應用在染料敏化電池上的應用 40
2-1、研究背景與動機 41
2-2、染料分子結構設計 48
2-3、染料分子合成 50
2-4、染料之光物理性質 53
2-5、染料之電化學性質 56
2-6、染料分子結構之理論計算結果 60
2-7、染料敏化電池之元件效率 64
2-7-1、光強度AM 1.5下測試染料元件 65
2-7-2、元件效率討論 66
2-8、結論與未來展望 67
第三章、以INDOLIUM為電子受體的高透明度藍色染料之合成、光物理性質探討及其在染料敏化電池上的應用 70
3-1、研究背景與動機 71
3-2、染料分子結構設計 76
3-3、染料分子合成 80
3-4、染料之光物理性質 83
3-5、染料之電化學性質 88
3-6、染料分子結構之理論計算結果 91
3-7、染料敏化電池之元件效率 96
3-7-1、光強度AM 1.5下測試YI系列染料元件 97
3-7-2、T5-600 Lux下測試YI系列染料元件 98
3-7-3、LED-600 Lux下測試YI系列染料元件 99
3-7-4、元件效率討論 100
3-8、CDCA共吸附劑測試 (AM 1.5) 101
3-9、照光穩定性測試 (AM 1.5) 103
3-10、透光率測試 106
3-11、結論與未來展望 108
第四章、實驗部分 110
4-1、實驗藥品與溶劑 111
4-2、實驗儀器與操作方式 114
4-3、全光譜染料實驗合成步驟與相關光譜數據 117
4-4、高透明度藍色染料實驗合成步驟與相關光譜數據 136
參考文獻 154
附圖 161

圖目錄
圖1-1、台灣能源供給比例 (按自產與進口別) 3
圖1-2、太陽能電池的分類 12
圖1-3、染料敏化電池的組成 17
圖1-4、多種半導體電極的能階位置 19
圖1-5、染料敏化電池運作機制圖 22
圖1-6、太陽能電池電流對電壓作圖 (J-V CURVE) 24
圖1-7、太陽能輻射光譜圖 28
圖1-8、高轉換效率的釕金屬染料 30
圖1-9、高轉換效率的紫質染料和共吸附劑結構 31
圖1-10、非金屬染料的結構設計 31
圖1-11、高轉換效率的非金屬染料結構 33
圖1-12、INDOLIUM結構 35
圖1-13、5、7系列SQUARAINE染料結構 36
圖1-14、1-3 CYANINE染料結構 36
圖1-15、LSQ系列染料結構 37
圖1-16、CM501-CM503染料結構 38
圖1-17、CM501-CM503染料溶於二氯甲烷之吸收光譜圖 38
圖2-1、JK2及SQ1染料結構 42
圖2-2、WS-1、VG1-C8及HSQ4染料結構 43
圖2-3、TH304染料結構與其吸收光譜圖 44
圖2-4、JYL-SQ5及JYL-SQ6染料結構與其吸收光譜圖 45
圖2-5、LJJ101、LJJ102及LJJ103染料結構與其吸收光譜圖 45
圖2-6、PS系列染料結構與其吸收光譜圖 46
圖2-7、全光譜染料分子結構 49
圖2-8、全光譜染料分子合成路徑 51
圖2-9、染料溶於二氯甲烷之吸收光譜圖 53
圖2-10、TKU-111及YI-1染料之循環伏安圖 57
圖2-11、染料、電解質及二氧化鈦之能階對照圖 57
圖2-12、染料分子理論計算最佳結構 60
圖2-13、染料分子的HOMO-LUMO電子分布 62
圖2-14、TKU-111及YI-1染料吸附於TIO2的實際圖片 64
圖2-15、染料在光強度AM 1.5下的J-V CURVE 65
圖2-16、D-A’-Π-A染料結構設計 68
圖3-1、瑞士科技會議中心的建築西面由DSCS面板組成 71
圖3-2、DPP系列染料結構及其吸收光譜圖 73
圖3-3、DPP系列染料溶於THF和吸附在二氧化鈦上的顏色 73
圖3-4、R4及R6染料結構與其吸收光譜圖 74
圖3-5、CM201-CM204染料結構與其吸收光譜圖 75
圖3-6、SQ-2染料結構與其吸收光譜圖 76
圖3-7、YI系列染料分子之設計理念 77
圖3-8、YI系列染料分子結構 79
圖3-9、YI系列染料分子合成路徑 80
圖3-10、YI系列染料溶於二氯甲烷之吸收光譜圖 83
圖3-11、YI系列染料溶於二氯甲烷中的顏色 87
圖3-12、YI-7~YI-11染料之循環伏安圖 88
圖3-13、YI系列染料、電解質及二氧化鈦之能階對照圖 89
圖3-14、YI系列染料分子理論計算最佳結構 92
圖3-15、YI系列染料分子的HOMO-LUMO電子分布 93
圖3-16、YI-7~YI-11染料吸附於TIO2的實際圖片 96
圖3-17、染料D719與SQ-2結構 96
圖3-18、YI系列染料在光強度AM 1.5下的J-V CURVE 97
圖3-19、YI系列染料在光強度T5-600 LUX下的J-V CURVE 98
圖3-20、YI系列染料在光強度LED-600 LUX下的J-V CURVE 99
圖3-21、YI-10染料添加CDCA後於AM 1.5下的J-V CURVE 101
圖3-22、YI-7~YI-11染料照光後的顏色變化 103
圖3-23、YI-7~YI-11染料照光後的UV吸收光譜變化 104
圖3-24、YI系列染料之穿透率光譜 106
圖3-25、YI-15~YI-16染料結構設計 109

表目錄
表1-1、常使用的DONOR, Π-BRIDGE, ACCEPTOR基團 32
表2-1、染料的光物理性質 55
表2-2、染料的電化學性質 59
表2-3、染料在AM 1.5下的元件性質 65
表3-1、YI系列染料的光物理性質 85
表3-2、YI系列染料在不同吸收波長所占面積比例 86
表3-3、YI系列染料的電化學性質 90
表3-4、YI系列染料在AM 1.5下的元件性質 97
表3-5、YI系列染料在T5-600 LUX下的元件性質 98
表3-6、YI系列染料在LED-600 LUX下的元件性質 99
表3-7、YI-10染料添加CDCA後於AM 1.5下的元件性質 101
表3-8、YI系列染料在各波段的穿透率 107
表4-1、實驗使用之藥品與溶劑 113
表4-2、溶劑中、英文及代號對照表 117
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