敏化太阳能电池中染料的合成研究

【摘要】： 染料敏化太阳能电池(简称DSSC)成为近年来各国研究的热点由于它具有高效和低成本等优点。其中染料敏化剂在染料敏化太阳能电池中起着关键性的作用,染料敏化剂包括金属配合物敏化剂和非金属有机染料敏化剂,其中金属钌配合物染料是目前公认的最有效且稳定的光敏剂,但它提纯比较困难。非金属有机染料敏化剂由于分子设计和合成简便,原料易得等优点,将会大大推动纯有机染料的研发。本论文对染料的合成进行了研究,主要工作包括三个部分： 1.以4-甲基吡啶为原料,钯碳代替钠屑和镍化合物作催化剂,经济、简便地制备了高纯度的4,4'-二甲基-2,2’-联吡啶。然后以重铬酸钾为氧化剂,浓硫酸、浓硝酸做溶剂直接制得4,4'-二羧酸-2,2’-联吡啶,避免了以高锰酸钾和三氧化铬作氧化剂时未完全氧化的4-羧酸-4’-甲基联吡啶副产物的生成。在制备最终产物N3时首先以两步反应进行考查,发现在避光,高温反应时能最大限度的生成cis-Ru(dcbpyH2)2(NCS)2,避免了trans-Ru(dcbpyH2)2(NCS)2的生成。同时发现在高温下延长反应时间能减少异构体cis-Ru(dcbpyH2)2(SCN)2的生成。实验确定RuCl3·3H2O过量20%时能降低副产物cis-RudcbpyH2 (SCN)3和cis-Ru(dcbpyH2)3的生成。最后采用一锅法合成了cis-Ru(dcbpyH2)2(NCS)2,不但节约了溶剂,而且能取得分步反应同样的效果。 2.N3染料遇水容易脱落,可能是联吡啶上带有亲水基羧酸的原故,由此我们在N3染料工艺的基础上,合成了新的染料顺-(4,4'-二羧酸甲酯-2,2’-联吡啶)-二硫氰合钌,希望提高染料吸附到Ti02的能力。同时也合成两个染料中间体4,4’-二氰乙酸-2,2’-联吡啶和4,4'-二氰乙酸乙酯-2,2’-联吡啶。 3.目前光电转换效率较好的纯有机染料大都含有D-π-A结构,研究较多的是三苯胺-π-A体系,而我们想以蒽为给电子体系设计一种新型的蒽-π-A体系染料,经计算蒽-π-A分子从HOMO到LUMO的能级差略高于三苯胺-π-A分子,但已经十分接近。所以我们以9-蒽甲醛为原料,经硼氢化钾还原、Wittig反应及Knoevenagel反应,合成了一种以蒽为电子给体,苯乙烯基作为桥基来传递电子,氰基丙烯酸为电子受体的新的纯有机染料。