利用交叉脫氫耦合反應快速製備各式D-π-A有機染料分子：C-H/C-H合成法研究與其在染料敏化太陽能電池之應用

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研究生：	邱彥勛 Yan-Syun Ciou
論文名稱：	利用交叉脫氫耦合反應快速製備各式D-π-A有機染料分子：C-H/C-H合成法研究與其在染料敏化太陽能電池之應用 Cross-Dehydrogenative Coupling (CDC) as Key-Transformations to Various D-π-A Organic Dyes: C-H/C-H Synthetic Study and Dye-Sensitized Solar Cells Applications
指導教授：	劉青原 Ching-Yuan Liu
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 化學工程與材料工程學系 Department of Chemical & Materials Engineering
論文出版年：	2016
畢業學年度：	104
語文別：	中文
論文頁數：	199
中文關鍵詞：	染料敏化太陽能電池、交叉脫氫耦合反應、D-π-A有機染料分子、C-H/C-H合成法
外文關鍵詞：	Dye-Sensitized Solar Cells, Cross-Dehydrogenative Coupling, D-π-A Organic Dyes, C-H/C-H Synthetic Study
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在染料敏化太陽能電池中，全有機染料分子扮演非常關鍵的角色，而目前染料分子的合成方式主要經由多步驟的傳統合成法。本研究提出染料分子新的合成途徑，利用推電子 (Donor) 與拉電子 (Acceptor) 末端基上質子的酸度差異，進行鈀催化之交叉脫氫耦合反應(Cross-Dehydrogenative Coupling) ，合成各式非對稱D-π-A有機染料分子，此合成法不需在反應物上進行任何官能基化步驟，並具有優異的反應選擇性與官能基容忍度，為一具有高步驟經濟效益之染料合成法。

根據我們的合成方法，製備出三項新型的有機染料 (CYL-8, CTL-9, CYL-10)，並組裝成染料敏化太陽能電池 (DSSCs) 的元件，所測得電池元件數據開路電壓為 (Voc) 0.62~0.68 V、短路電流 (Jsc) 5.51~10.10 mA/cm2、填充因子 (FF) 62.5~73.9 %、光電轉換效率 (PCE) 2.25~4.85 %。本研究提供了更快速的有機染料合成法，使得染料敏化太陽能電池的應用更具競爭力。

Palladium-catalyzed cross-dehydrogenative coupling between donor and acceptor-type molecules was developed for the first time to construct organic donor-π-linker-acceptor (D-π-A) dyes in the presence of pyridine and Cu(OAc)2. The advantages of this reaction are its high reaction efficiency, high regioselectivities, excellent functional group tolerance, and synthetic simplicity from the omission of the pre-functionalization. The features of this protocol make it an ideal strategy for synthesizing D-π-A dyes of interest in dye-sensitized solar cells (DSSCs).

Through our methodology, three new sensitizers (CYL-8, CYL-9, and CYL-10) were prepared and employed to fabricate DSSCs. The photovoltaic characterization of the devices affords a Voc of 0.62-0.68 V, a Jsc of 5.51-10.10 mA/cm2, and a FF of 62.5-73.9 %, which correspond to an overall power conversion efficiency of 2.25-4.85 %. Our aim of presenting this method was to provide practical and step-saving access to various of D-π-A-type molecules for photovoltaic applications.

摘要                                                    i
Abstract                                            ii
謝誌                                                    iii
目錄                                                    iv
圖目錄                                                    vi
表目錄                                                    vii
化合物對照表                                            viii
一、 緒論                                              1
  1-1   太陽能源                                       1
  1-2    太陽能電池                                    2
  1-3    染料敏化太陽能電池                             5
  1-4    光敏化劑                                            5
  1-5    染料敏化太陽能電池的種類                            6
  1-6    不含金屬之D-π-A有機染料                            10
  1-7    不含金屬之D-A-π-A有機染料                            15
  1-8    有機染料之合成方法                                    17
二、 研究動機                                            21
三、 結果與討論                                            27
  3-1    尋找交叉脫氫耦合反應(Cross-Dehydrogenative Coupling,       CDC) 之最佳化反應條件                                    27
  3-1-1    探討不同鹼對C-H/C-H芳香環化產率之影響                    28
  3-1-2    探討不同氧化劑對C-H/C-H芳香環化產率之影響            30
  3-1-3    探討不同溶劑對C-H/C-H芳香環化產率之影響            32
  3-2    合成各式非對稱推拉 (push-pull type) 有機染料分子    34
  3-2-1    合成各式不同電子予體有機染料分子                    34
  3-2-2    改善最佳化條件                                    45 
  3-2-3    合成各式不同電子受體有機染料分子                    49
  3-3    反應機制之探討                                    54
  3-4    有機染料之合成與應用                            56
四、 結論與展望                                            66
五、 儀器設備                                            67
六、 合成步驟與化合物鑑定                                    70
  6-1    起始物之合成與鑑定                                    70
  6-2    Table 1-1之合成與鑑定                            80
  6-3    Table 2-1-1至2-1-7與5a-c之合成與鑑定            82
  6-4    染料CYL-8, CYL-9, CYL-10 之合成與鑑定            121
NMR圖譜                                                    127
參考文獻                                                    181

                                

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