二噻吩并吡咯类新型染料的合成及其在染料敏化太阳能电池中的应用研究

【摘要】：随着经济的快速发展，能源危机以及环境污染已经成为全球迫切需要解决的两大问题。清洁及可再生的太阳能可能是解决这两大问题的最好选择，低的制造成本、低廉的原材料价格以及适度转化效率的第三代太阳能电池–染料敏化太阳电池已经引起了科学家们的广泛兴趣。目前的敏化剂主要分为金属配合物和纯有机染料两大类。而有机染料作为金属钌化合物的替代者之一表现出更多的优点：1）、有机染料分子的结构具有多样性，能够轻易的设计并合成；2）、在制造成本和环境污染方面有机染料要优于贵金属化合物；3）、有机染料分子的摩尔消光系数通常比钌化合物更高，这有利于采用更薄的半导体膜及制成固态电池。 为此我们合成了四个系列共13种纯有机染料分子，并测试了基于这些染料的电池的光物理性质和光化学性质，来探究纯有机染料敏化剂结构和光电转换效率的关系。具体研究工作可分为以下四个方面： （1）设计并合成了三种含二噻吩并吡咯（DTP）单元的A–π–D–π–A型染料。测试结果显示，这三个以平面DTP环作为桥连结构的有机染料表现出非常高的摩尔消光系数。这说明分子结构中引入DTP作为π桥不仅能提高电荷传输能力更重要的是能提升染料分子的光捕获能力。在三个染料分子中，DTP侧链带有烷基链的染料分子表现出一个极高的摩尔消光系数，14.5104M-1cm~(-1)。而DTP侧链带有对甲氧基苯基的染料分子表现出最好的电池效率，总的光电转化效率达到6.36%。这个结果表明DTP结构单元是一种非常有前景的DSSCs材料。 （2）设计并合成了不对称的“H”型染料。我们分别以DTP、咔唑、三苯胺为桥连结构，合成了三种新型的不对称“H”染料分子，并与相应的两种“U”型染料(H1、H2)进行了对比。研究结果表明“H”型染料分子(H3、H4、H5)能明显升高染料分子的HOMO能级，降低分子的能带隙；并能有效的增强分子的捕光能力以及阻止染料在TiO2表面的聚集。另外对比带有咔唑结构的H4和H5分子，带有DTP单元的H3显示了更好的光电性能，在DSSCs中的应用前景更加广泛。 （3）设计并合成了三种能有效抑制电子复合的三苯胺类染料。通过在分子中引入多个三苯胺单元，我们成功的合成了三种新型的D–D–π–A支化染料，测试显示基于这三种染料的电池都表现出很高的开路电压，其中最高的开路电压达到了853mV。我们还发现，在分子中引入噻吩单元作为π桥时，开路电压出现了明显的下降；而当我们在噻吩的4号位引入一个三苯胺侧链时开路电压有显著的提高。这个结果表明延长共轭单元以及增加分子的平面性会增加电子的复合能力，从而导致电压下降；在π桥侧链引入大的官能团可能是一种提高开路电压的有效方式。 （4）设计并合成了两种新型三苯胺类聚合物染料。对比噻吩与呋喃作为π桥的化合物，我们发现分子中引入噻吩单元更能增加分子的捕光能力。由于引入了三苯胺单元增加了分子的抗聚集性，两种聚合物染料(P1、P2)都表现出较高的开路电压，总的转化效率分别达到了3.69%、4.27%。