基于杯芳烃的新型光敏染料的设计合成及其在染料敏化太阳电池中的应用

The two key issues in dye-sensitized solar cells (DSSCs) are to improve the conversion efficiency and stability of sensitizers. To promote growth of sensitizer research, calixarenes are introduced into the sensitizers for their intrinsic stability, facile structural modification, aggregation-resistant cone-shaped structures, and abundant light-harvesting units. .In this project, a novel series of calix[4]arene-based sensitizers containing four donor-π-acceptor moieties are designed and synthesized by incorporating functional organic dye units or porphyrin units. Herein, two points are focused on. Firstly, the relationships between chemical structures and optoelectronic properties are systematically investigated to develop high-performance sensitizers with wide absorptions and excellent stability; Secondly, the appropriate sensitizers are applied in DSSCs and the structure-performance relationships are studied to explore new ideas in design of sensitizers with outstanding properties. .Novel organic dyes containing calixarene are developed owing to their unique advantages, which can open a new path for the sensitizer design and provide a new opportunity the development of excellent sensitizers.

如何有效地提高染料敏化剂的光电转化性能和稳定性是目前染料敏化太阳电池领域面临的关键问题。为了寻求解决方法，我们创新性地将杯芳烃单元引入到光敏染料中，因为杯芳烃具有光热稳定性好，修饰提纯简单，吸光单元多，结构防聚集等优点，满足了作为光敏化剂的最佳条件。.本项目拟以杯[4]芳烃为构筑平台，在其上沿引入功能有机分子或卟啉大环分子，设计合成一系列含四个D-π-A单元的新型光敏染料，研究重点在于：1）探索这类分子的结构与光电性质之间的关系，寻找稳定性强、吸收光谱宽的高效光敏化剂；2）将能级匹配和性质良好的杯芳烃类光敏染料应用于太阳电池中，系统研究其构效关系，寻求设计高效稳定光敏染料的新思路。.鉴于杯芳烃得天独厚的优势，开发性能优越的杯芳烃类光敏染料，将为光敏剂分子设计的开启新方向，为高性能染料敏化太阳电池研发提供新机遇。

本项目立足于解决目前染料敏化剂的光电/光化学转化性能不高和稳定性较差等关键问题，创新性地将光热稳定性好，修饰提纯简单，吸光单元多，结构防聚集的杯芳烃单元引入到光敏染料中，通过在杯芳烃上沿引入功能有机分子，设计合成了一系列含四个D-π-A单元的新型光敏染料，探索了这类分子的结构与光电/光化学性质之间的关系，获得了稳定性强、吸收光谱宽的高效光敏化剂，并将能级匹配和性质良好的杯芳烃类光敏染料应用于染料敏化太阳电池、可见光催化制氢、及可见光还原二氧化碳的研究中，获得了一些重要的研究结果，比如，开发了基于杯芳烃染料的Calix-3-TiO2，HO-TPA-TiO2，C4BTP-TiO2，C4BTP/g-C3N4等杂化材料并研究了其光催化性能，它们都表现了优异的光催化制氢或光还原CO2的活性和稳定性，为目前文献报道的杂化体系光催化产氢或光还原产CO最高值之一。通过对本项目的研究，我们获得了一些设计高效稳定光敏染料的新思路，为光敏剂分子设计的开启了新方向，为高效能太阳电池或可见光催化系统的研发提供了新机遇。.另外，本项目拓展了研究范畴，设计合成了其它有机D-π-A锥形光敏染料及系列光敏性金属-有机配位纳米笼，其分别与半导体结合获得了复合材料，并用于光催化研究，取得了一些重要进展。比如，开发了基于光敏笼的MOC-16-TiO2，MOC-16/g-C3N4，MOC-YS-TiO2，MOC-TPyP/g-C3N4材料，及基于光敏环的Cycle-LL/g-C3N4材料，该系列材料在无需助催化剂条件下可以实现高效光催化产氢，为高效、稳定、廉价的光催化系统设计提供了参考。