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。

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.

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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