染料敏化太阳能电池中高效染料的设计与分子工程

作为新型低成本、高效率太阳能转换器件，染料敏化太阳能电池已经成为当今太阳能利用领域的研究热点。本项目拟从Donor-π-Acceptor体系入手，设计并合成新型纯有机染料分子，得到多系列新型高效敏化染料：合成具有多重供电子体系的基于D-D-π-A结构的新型吲哚啉染料，通过此敏化染料分子工程研究官能团的改变对敏化染料分子的调控作用，构建出设计一类敏化染料的通用的指导性规律；在单一分子中同时引入多个具有高摩尔消光系数的香豆素基团，提高染料的光捕获能力，通过染料的分子工程优化分子结构，使其在整个可见光区甚至近红外区域都有较高的光电响应，成为新型宽光谱响应的高效纯有机"Black dye"；基于上述开发的具有自主知识产权的多系列新型敏化染料，制备具有长期稳定性的高效率准固态以及全固态染料敏化太阳能电池器件，为国家新能源战略的实施打下良好的基础。

纯有机敏化染料由于其宽光谱、高吸收以及分子结构可控等优点，日益受到研究人员的关注。本项目设计并合成了多个系列的纯有机敏化染料，深入研究了染料分子结构与其光、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。.首先采用吲哚啉染料作为母体，将咔唑和芴分别引入，得到两种具有D-D-π-A 结构的新型纯有机敏化染料。发现额外电子给体的引入能够有效拓宽分子吸收光谱的同时提升其摩尔消光系数，使染料的光捕获能力大大提高。从而使基于此染料的电池器件的IPCE工作谱随之拓宽，最终得到较高的短路电流和光电转换效率。.在上述工作基础上，将吸电子端的氰基乙酸换为具有更强吸电子能力的绕丹宁-3-乙酸，以期进一步是染料吸收光谱红移。通过研究发现，当染料吸附到TiO2上之后，其边带吸收成功拓宽至950 nm处，相比氰基乙酸作为吸电子端的染料红移了超过100 nm。但是在光伏性能测试中也发现，基于该染料的电池器件中存在着严重的电子复合，最终导致该染料的光电流、光电压以及转换效率均不佳，因此在进行分子设计时，不仅要考虑使染料尽可能多的捕获光子，同时还要考虑捕获的光子要尽可能高效的转化并顺利注入TiO2进入外电路。.同样基于最初的工作，虽然染料光电流较高，但是其光电压很低，仍有较大的提升空间。同时该染料的光稳定性不佳。因此选择去除分子内的乙烯基团来改善这两个缺陷。去除乙烯基团后，发现染料的光捕获能力以及能级变化并不明显，而将其应用于电池器件后，染料的开路电压得到了大幅提高，使得光电转换效率提高至9.49%。更重要的是，柔性的乙烯基去除后，分子的光稳定性有了很大的改进，离子液体电解质制备的电池器件经1000小时快速老化实验后，光电转换效率下降幅度仅5%左右。.香豆素类敏化染料的开路电压普遍不高，因此设计并合成了两种树枝状香豆素染料分子。发现相对于传统的线形染料，树枝状染料制作的电池器件开路电压有了明显的提高。进一步研究表明，电荷寿命的提高是开路电压提高的主要原因，亦即分子构型的改变成功的抑制了电池内部不利的电子复合过程，为染料分子设计提出了新的思路。.此外，本项目还对其他一些染料进行了电池器件的制作以及性能测试，包括全固态电池器件的制作，为今后电池器件性能的优化积累的大量的经验。.