染料敏化氧化石墨烯复合物的制备及其光电性能研究

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染料敏化太阳能电池(DSSC)作为可以高效利用太阳能的技术手段而成为研究的热点课题之一。要构筑高效的DSSC,使用高性能的光电转换半导体材料是问题的关键。近几年,氧化石墨烯(GO)因具有高度的表面可修饰性和可调变的半导体特性而备受关注。通过控制氧化程度、表面修饰制备n-型或p-型染料敏化半导体作为电极材料用于染料敏化太阳能电池研究已引起科学家们极大的兴趣。本文分别采用非共价键和共价键修饰的方式将光敏染料固载到氧化石墨烯表面,从而得到了具有光电转化性能的多吡啶钌或多染料/氧化石墨烯纳米复合物,并考察了它们的光电转换性能。利用钉配合物1a结构中具有的大π平面配体与GO片之间的强的π-π吸附作用,实现对GO的非共价修饰,制备得到了复合物1a-GO。利用钌配合物分子中的氨基与GO边缘的羧基反应生成酰胺键,实现了对GO片的共价修饰,制备得到了复合物1b-GO。两种复合物的结构均通过了红外吸收光谱、紫外-可见吸收光谱、XRD、TEM和Zeta电位的表征。紫外-可见吸收光谱显示,配合物1a和1b的特征吸收峰在固载后分别发生了37nm和18nm的红移,由此说明钌配合物分子中大的π平面与氧化石墨烯表面产生了较强的π-π吸附作用。通过对复合物平带电位的测试,可以确定复合物1a-GO和1 b-GO为p-型半导体材料。复合物的光电流响应测试结果显示复合物1 a-GO和1b-GO所产生的光电流分别是纯GO的6倍和8倍,说明了复合物1a-GO和1b-GO与GO相比均具有较好的光电转换性能,这两种多吡啶钉/氧化石墨烯复合物作为光电转换材料在光电转换方面有着潜在的应用前景。为了进一步拓宽复合物的吸光范围,提高复合物的光电转换性能,我们利用阳离子型锌酞菁配合物与GO片层间的π-π吸附作用和静电吸引作用将锌酞菁固载到复合物1b-GO表面,得到了多染料修饰的GO复合物1b-GO-ImPcZn。利用X射线衍射、红外吸收光谱、紫外-可见吸收光谱和Zeta电位对该复合物的结构进行了表征。紫外-可见吸收光谱显示,配合物ImPcZn的Q-带特征吸收峰在固载到1b-GO表面后红移了 13nm,说明了酞菁配合物分子与1b-GO表面产生了较强的π-π吸附作用。通过对复合物1b-GO-ImPcZn平带电位的测试,可以发现该复合物呈现出n-型半导体材特性。光电响应测试结果显示复合物1b-GO-ImPcZn所产生的光电流是复合物1b-GO光电流的3倍,说明锌酞菁的引入,有效的提高了复合物吸光范围,进而提高了复合物的光电转换性能。
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