香豆素敏化染料的能级结构调控及其电池器件界面间电子传输过程研究

Although coumarin dyes possess widely tunable spectra, long-term light stabilities, and excellent fluorescent properties, they still have not exhibited satisfied performance as the sensitizers in dye-sensitized solar cells (DSCs). Thus, in this project, novel molecular engineering will be performed on coumarin structures: i) optimization of the energy levels to overcome the energy loss caused by the high HOMO level of the dyes; ii) investigation of interfacial electron transfer processes to prevent the unfavorable interfacial electron recombination. As a result, a strategy for developing highly efficient coumarin sensitizers will be provided. All above investigation will play an important role in the development of coumarin dyes and provides this traditional dye new life in application in dye-sensitized solar cells.

香豆素染料虽然具有较广的光谱可调范围、较好的光稳定性以及优异的荧光性能，但是其作为染料敏化太阳能电池的敏化剂一直没能达到令人满意的效果。本项目以对香豆素染料进行全新的分子设计为手段：针对香豆素染料HOMO轨道能级过高而造成的能量浪费问题，考察推拉电子体系的改变对香豆素染料能级结构的调控作用；研究香豆素染料分子结构对界面间电子传输过程的影响，通过结构改造抑制香豆素染料电池器件不利的电子复合过程。以此从分子层面深入研究香豆素染料结构与器件性能之间的构效关系，并得到多个具有自主知识产权的新型高性能香豆素敏化染料，最终提出对未来高效香豆素染料的分子设计具有指导性意义的理论。该项目的实施将对香豆素染料的发展起到重要作用，有望使这一传统染料在新能源领域的应用产生跨越式突破。

敏化染料的能级结构是制约染料各项性能的关键，而目前调控染料能级结构的手段有限、调控选择性不高。本项目设计并合成了多个系列具有不同平面性因素的纯有机香豆素染料，深入研究了染料分子平面性与其光、电化学以及光伏性能之间的构效关系，总结出的规律对今后高效纯有机敏化染料分子的设计具有一定的指导意义。.首先采用完全相同的供电子端、共轭桥链和吸电子端合成染料分子，以考察染料分子的构型对染料的性能的影响。发现改善分子的构型可以有效收窄D-π-A染料的轨道能级差，从而提升染料的光捕获性能，进而影响电池器件的短路电流。同时染料分子平面性的改变还会带来偶极距以及电荷寿命的变化，从内部源头对电池器件的TiO2电极导带产生影响，最终影响电池器件的开路电压。因此染料分子构型，特别是平面性的改变对染料的整体性能影响巨大，这为将来发展新型高效染料提供了新的思路；.在上述研究结果基础上，通过对香豆素染料进行平面化设计，发现在大位阻基团中间插入小位阻基团能够有效降低分子各部分之间的二面角，提高分子平面性，进而有效调控分子的轨道能级。此外，通过对电池器件进行快速老化试验发现，引入小位阻基团后，对染料的光稳定性并不会产生不利的影响，为今后设计高性能敏化染料提供了一定的经验；.最后，摒弃其他影响因素，单纯就共轭桥链的平面性对染料性能的影响进行深入研究。发现共轭桥链的平面性在不干扰D-A-π-A染料的HOMO能级的前提下，对其LUMO能级具有选择性调控作用。此外，平面性较好的染料分子内电荷转移过程更为平顺，因此能够在更长波长区域内显示较强吸收；一旦分子平面性变差，分子内电荷转移过程受到影响，其光捕获能力也会相应降低。上述研究结论为今后染料的分子结构优化提供了参考。.此外，对纯有机染料的共敏化工程进行了深入研究，该工作中的共敏化过程与性能优化之间的关系研究，为今后的高效共敏化染料敏化太阳电池的发展提供了新思路。