新型卟啉染料的设计与合成及其在染料敏化太阳能电池中的应用

【摘要】：染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cell, DSC)是近年来迅速发展起来的一种新型的模拟自然界光合成原理的光伏电池。由于其制作工艺简便、原材料丰富且对环境友好,受到了国内外研究者的广泛关注。理论上,DSC的能量转换效率能达到33%-36%,这充分说明其有潜力取代目前成本高昂、污染严重的硅太阳能电池。但是迄今为止报道的效率仍然只有11%-13%,有待进一步提高。拓宽吸收光谱,提高太阳光利用率是提高DSC能量转换效率的重要手段。 DSC对光的利用主要是由光敏染料的性能决定。目前应用于DSC中性能最好的的光敏染料主要是传统的钌系染料和纯有机染料,但是钌系染料由于结构简单,难以进行修饰改性,纯有机染料虽然结构丰富,易于改性,但是其主要吸收峰都在400nm-500nm之间,对太阳光的利用率非常低,这也直接导致基于这两类染料的DSC在能量转换效率上很难再进一步提升。 卟啉类染料具有其独特优势,由于卟啉环上可修饰位置多,且其对光的利用率高,近年来成为DSC领域的研究热点。卟啉染料的特征吸收带Soret带在400nm-500nm之间,且摩尔吸光系数一般在105以上；而随着结构对称性的改变,会出现多个Q带,通常其吸收分布在500nm-700nm之间,这使得卟啉染料能充分利用整个可见光区域。现在基于卟啉类染料DSC的能量转换效率已经达到12.3%,这也是目前DSC的最高效率。因此,卟啉类敏化剂对进一步提升DSC的能量转换效率是非常有前景的。在众多的卟啉敏化剂中,具有推拉电子结构的D-A型卟啉染料性能最佳。其中电子给体部分主要是二苯胺、三苯胺及其衍生物,种类比较单一。二芴胺是一种很好的电子供体,应用于纯有机染料中取得了较好效果。因此,本论文的研究重点是设计合成以二芴胺为电子供体的高效D-A型卟啉染料。 本论文首次提出将二芴胺作为电子供体引入到卟啉染料中,在设计过程中,考虑到卟啉类染料溶解性较差的问题,首先在芴的9位上连接两个长烷基链,合成具有4个己基链的电子供体N,N’-二-(9,9,-二己基-2-芴基)胺,再将其连接到卟啉环上,合成了卟啉敏化剂WP-1和WP-2。染料WP-1在400nm-700nm之间有三个特征吸收带,在424nm处的Soret带的摩尔吸光系数达到了2*105以上,Q带的吸收末端到达670nm处,染料WP-2在400nm-700nm之间也有三个特征吸收带,在441nm处的Soret带的摩尔吸光系数同样达到了2*105以上,Q带的最大吸收峰在660nm,吸收末端到达720nm处,是目前光谱响应最好的卟啉染料,表明WP-2对整可见光区的太阳光有较强的吸收能力。将两种敏化剂应用于DSC中,电池的能量转换效率分别达到了4.01%和6.82%,封装测试后WP-2最高能量转换效率达到7.07%,在自然光下,经过500小时后,效率仍能维持在最高效率的98%。充分展示了二芴胺作为电子供体,非常适合于推拉电子结构的卟啉染料,为今后进一步研究将二芴胺衍生物引入到卟啉染料中奠定了基础,丰富了用于卟啉染料的电子供体的种类。