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含有喹喔啉基團之染料設計及其於染敏太陽能電池之應用

為了解決toyota gr86價格的問題，作者戴世達 這樣論述：

將太陽能轉換成電能是最有趣和最吸引人的研究議題之一。將太陽能轉化為電能的分子光伏元件中，染料敏化太陽能電池（DSSC）被認為是有希望的下一代太陽能電池技術，因為它們在單一有機染料的情況下具有13％的良好性能，並且不需要大量的純化和製造步驟而使得價格相對便宜。敏化劑是DSSC的關鍵組成之一，其負責對太陽光的捕獲，通過電子轉移將能量轉移到合適的材料（如TiO2）以產生電能。 DSSC光電轉換效率（PCE）由在TiO2 /染料/氧化還原電解質/ Pt界面的複雜過程決定，狹窄的吸收光譜範圍導致的光收成不足、染料與氧化之染料或電解質間的電荷再結合是效率惡化的主要原因。因此，尋找具可見光全光譜吸收的材料

與降低在界面的損失已經是DSSC領域中的關鍵研究方向之一。最終的目標是以有機染料之DSSC達到15％的高轉化效率，同時在標準條件下保持其穩定性。本論文的研究主題集中在設計和合成用於DSSC中的有機染料並提高其性能。特別關注分子結構和物理性質之間的關聯性，以及它們的效能。在第三章中，使用聯乙炔單元官能基的雙極有機染料證明了經由光致交聯反應產生疏水性聚二乙炔層在DSSC中是有效抑制電荷再結合和增強光捕獲的獨特策略。聚二乙炔層不僅用作電解質阻擋層有效阻止氧化的電解質接近電極表面抑制暗電流，並且透過有效的能量轉移到雙極染料進而增強了光捕獲效率。元件效能從單體染料（JSC = 13.5 mA / cm

2，VOC = 0.728 V，FF = 0.73，= 7.17%）到交聯染料（JSC = 14.9，VOC = 0.750，FF = 0.74，= 8.27%）可有效提升15%。在第四章中，系統性地研究了雜環π-連接體喹喔啉基團對D-A-π-A構型有機染料光電參數的影響。用於該研究的新敏化劑為使用EDOT，N-甲基吡咯和呋喃單元代替噻吩於π-體系中所得到的CR147衍生物：EE8，MA177和MA136。當用於DSSC中時，這些染料在光捕獲和聚集行為上表示出顯著的差異。在AM 1.5條件下通過EDOT基敏化劑EE8（JSC = 13.3 mA / cm2，VOC = 0.754 V，F

F = 0.70，= 8.08%）可達到最佳性能;為在同樣條件下測量N719的98％。而CR147，MA177和MA136分別達到N719的86%，72%和22%。呋喃和二苯基喹喔啉似乎形成更平的幾何形狀有利於良好的電荷轉移。另一方面，N-甲基吡咯在二苯基喹喔啉和N-甲基吡咯之間產生高扭轉角，導致較低的染料覆蓋率，較弱的光捕獲和較嚴重的分子聚集。時間相關單光子計數（TCSPC）螢光研究顯示，電子注入步驟並非決定四種染料的JSC的主要因素。在第五章中，合成了一系列在喹喔啉環取代不同雜環的喹喔啉衍生物染料。染料在喹喔啉環上有5-丁基噻吩（MA169），5-丁基呋喃（MA174），N-甲基吡咯（

MA181），噻吩（MA190）和苯基（CR147）這些雜原子產生有效的π共軛形成更平面的D-A--A架構。 DSSC中的結構-效能關係被有系統地評估，發現強烈依賴於喹喔啉環上的取代基的性質。在AM 1.5陽光下測量，由染料MA169的元件達到8.33%（JSC = 16.1 mA/cm2，VOC = 0.770 V，FF = 0.672）的最高PCE（相較於CR147改善了13%，且達到N719的98%），其在0.25陽光照射下進一步超過11%的PCE。雖然CR147，MA190，MA174和MA181分別表現出7.36％，4.45%，3.29%和2.04%的效率。 MA169表現出更高的

效能，出色的長期穩定性，更優異的光收集，I3-良好的阻擋效應以抑制暗電流。在MA181元件中，較低的染料覆蓋率，較低的電子注入驅動力和較低的電荷注入效率導致低光捕獲從而降低了整體PCE。因此，2,3-雙（5-丁基噻吩-2-）喹喔啉改善VOC是可被期望用於設計高效DSSC的輔助受體材料。在第六章中，一系列包含2,3-雙（5-丁基噻吩-2）喹喔啉輔助受體的敏化劑（如; MA186，MA197，MA199，MA1102，MA1104和MA1111）不論是噻吩/噻吩並[2,3-b]噻吩的共軛三苯胺共阨作為予體或三苯胺作為予體，氰基乙酸作為受體，或是噻吩，聯噻吩，EDOT或二乙基環戊二噻吩部分作為-連

接體從受體端被設計且成功地合成。藉由這些結構修改，基於MA-系列合成染料的DSSC的PCE的範圍為3.65-8.1%，僅有EDOT間隔的敏化劑，MA1102性能（7.97%）幾乎與MA169相當。與MA1102不同，敏化劑MA169顯示出面外扭轉構形，因此，MA169的3D扭曲結構有利於抑制染料聚集，電荷再結合和電子回傳。顯然，整個分子骨架的高共面性的影響不利於D-A-π-A / D--A-π-A推拉系統的分子內電荷分離，並造成染料聚集。這些MA系列染料可能是設計高效敏化劑的良好模型。最後，設計並系統合成引入了6,7-雙（5-丁基噻吩-2-）- [1,2,5]噻二唑並[3,4-g]喹喔啉輔助

受體的新敏化劑（MA1107）。新材料可顯著的將吸收光譜紅移至800 nm近紅外光區。電化學能隙為1.52 eV，這表明NIR區域吸收可以經由將輔助受體引入敏化劑中而輕易地達成。然而，MA1107的LUMO能量位置非常接近TiO2導帶，缺乏足夠的電子注入驅動力。因此，調節LUMO能級的結構修飾，系統性分析以完全理解電池中的效率損失機制或使用不同的光電陽極材料是使用該發色團成功的最終途徑。