芳胺染料在溴（碘）基染料敏化太阳能电池中的应用

【摘要】： 在染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized Solar Cell, DSC)中,光敏染料吸收太阳光并将激发态电子注入到纳米半导体二氧化钛(TiO2)的导带,同时产生的氧化态染料分子快速地被电解质中的氧化还原电对还原再生。光敏染料是DSC获得高光电转换效率和长寿命的决定因素之一。为了降低DSC的成本,纯有机光敏染料作为贵金属配合物光敏染料的替代品,在近年来成为光敏染料的研究热点并取得了长足的发展。 基于纯有机光敏染料的应用前景,本论文共设计合成了23个以三苯胺、吩噻嗪和咔唑为电子给体(Donor, D)、氰基羧乙烯基为电子受体(Acceptor, A)、并通过不同的π-桥基(π-conjugation)相连的D-π-A电子推拉型芳胺类纯有机光敏染料。利用质谱(MS)、核磁共振氢谱(1H-NMR)对这些染料进行了结构表征。研究了这些染料的光物理、电化学性质,并将其分别应用于碘基电解质和溴基电解质DSC,系统地考察了染料结构与电池性能之间的关系。 光敏染料的结构对其光物理、电化学性质有着重要的影响。在染料π-桥基中引入三键或蒽结构单元,同时调节染料分子结构的共面性,可以有效地增大π-桥基的共轭体系和拓宽染料的吸收光谱,从而增强染料对光的捕捉能力。所有染料的最低空余轨道(Lowest Unoccupied Molecular Orbital, LUMO)和最高占有轨道(Highest Occupied Molecular Orbital, HOMO)能级分别满足了激发态染料分子向TiO2导带中注入电子和氧化态染料分子从碘基电解质中得到电子而还原再生的能级匹配要求。以三苯胺和咔唑为电子给体、氰基羧乙烯基为电子受体的芳胺染料TC301-TC308的HOMO能级都要比溴基电解质电势更正,同时也满足了氧化态染料分子从溴基电解质中得到电子而还原再生的能级匹配要求。 在染料的π-桥基中引入三键,能提高电子转移产率、单色光光电转换效率(Incident Photon-to-current Conversion Efficiency, IPCE)和电池的光电转换效率。而在染料的π-桥基中引入蒽结构单元能极大得提高电子在TiO2膜中的寿命,抑制电子复合,从而提高电池的开路电压(Voc)。通过优化染料吸收光谱和分子共面性,以三苯胺为电子给体、氰基羧乙烯基为电子受体、π-桥基中含有三键的染料TC103敏化DSC实现了5.00%的光电转换效率,而以三苯胺为电子给体、氰基羧乙烯基为电子受体、π-桥基中含有蒽结构单元的染料TC501敏化DSC实现了7.03%的光电转换效率 用溴基电解质代替碘电解质后，因为电解质中氧化还原电对电势和TiO2费米能级之间能差的增大和电子复合的抑制,电池开路电压大幅度提高。对于HOMO能级比溴基电解质电势更正的染料,其被碘基电解质和溴基电解质还原再生的驱动力都是足够的,所以其能有效地被碘基电解质和溴基电解质还原再生。而对于HOMO能级和溴基电解质电势相比不够正的染料,其被碘基电解质还原再生的驱动力是足够的,而被溴基电解质还原再生的驱动力却是不够的,所以其只能有效地被碘基电解质还原再生,而不能被溴基电解质有效地还原再生。在使用溴基电解质的情况下,染料TC301敏化DSC实现了高达1.156 V的开路电压和3.68%的光电转换效率,而染料TC305敏化DSC在实现了5.22%的高光电转换效率的同时保持了0.939 V的高开路电压。