新型双给体/受体稠杂环类敏化色素设计合成与性能研究

Sensitizing dyes in dye-sensitized solar cells are the crucial materials that determine the absorbance of visible light and photon-to-current conversion efficiency. The key of the research is to design the sensitizing dyes with broad absorbing spectra, high photon absorbing intensity, high photon-to-current conversion efficiency which can be efficiently anchored to TiO2 and study the characteristic rules of their applications in devices. The research contents of this project include: firstly design and synthesize new double donor/acceptor type organic sensitizing dyes with organic polyheterocyclic chromophore coumarin, indoline, triarylamine and carbazole as donor, aryl ring or olefinic link as π bridge and heterocycles with high electron affinity energy, cyanoacetic acid or rhodanine acetic acid as acceptor; secondly estimate spectra and photon-to-current conversion properties of new type organic sensitizing dyes; thirdly investigate the effect of the variety of structure type, π conjugative bridge, substitute and acceptor of sensitizing dyes on spectra and photon-to-current conversion property; last but not least search for the rules of molecular design and establish the theoretical model of double donor/acceptor organic sensitizing dyes.

敏化色素是决定染料敏化纳米晶体太阳能电池可见光吸收和光电转换效率的关键结构材料。吸光范围宽强度高、光电转换效率高并能与TiO2稳定键合的敏化色素分子设计理论和器件化特征规律研究是实现突破的关键。本项目针对前期研究的深入与创新面临的关键科学问题，选择具有良好光吸收性能的有机稠杂环发色团香豆素、吲哚啉、三芳胺及咔唑为给体，芳环或烯键为π桥键，电子亲合能高的杂环和氰乙酸或罗丹宁乙酸等为受体，设计合成双给体/受体类有机敏化色素。测定新型敏化色素分子的光谱性能以及光电转换性能，探索敏化色素结构类型的变化，以及不同π共轭桥键、取代基差异及受体变化对敏化色素分子光谱性能及光电转换性能的影响，探寻其间规律性的认识，建立可行的双给体/受体类有机敏化色素分子设计理论模型。

敏化色素是决定染料敏化纳米晶体太阳能电池可见光吸收和光电转换效率的关键材料。吸光范围宽强度高、光电转换效率高并能与TiO2键合稳定的有机光敏染料分子设计理论和器件化特征规律研究是实现突破的关键。经典“D-π-A”结构敏化色素分子中，额外给体或受体的引入，有利于增进敏化色素分子在可见光和近红外区域的光吸收，促进分子内电荷转移，提高电子注入效率。本项目设计并合成了三大类11个结构系列共31个新型双给体/受体敏化色素：选择N-丁基咔唑、N-二甲基芴基咔唑或苯并咔唑为给体，芴酮为第二给体，苯并噻二唑或二苯并吩嗪为第二受体，芳香杂环为π桥，氰乙酸为最终受体，设计合成了四个系列咔唑类双给体/受体类敏化色素；选择吩噻嗪或N-苯基吩噻嗪为给体，芴酮为第二给体，苯并噻二唑或噻唑为第二受体，芳香杂环为π桥，氰乙酸为最终受体，设计合成了三个系列吩噻嗪类双给体/受体类敏化色素；选择三苯胺为给体，香豆素为第二给体，噻唑为第二受体，芳香杂环为π桥，氰乙酸为最终受体，设计合成了四个系列三芳胺类双给体/受体类敏化色素。测定了所设计合成的光敏染料的光谱性能、电化学性能和光电转换性能，并通过Gaussian程序用密度泛函B3LYP/6-31g*方法对光敏染料分子进行理论计算。发现咔唑类双给体/受体类敏化色素短路电流密度在8.30~16.34 mA∙cm-2 之间，开路电压在0.63~0.75 V之间，最终效率在4.05~8.15%之间；吩噻嗪类双给体/受体类敏化色素短路电流密度在5.11~14.25 mA∙cm-2 之间，开路电压在0.59~0.72 V之间，最终效率在2.26~6.76%之间；三芳胺类双给体/受体类敏化色素短路电流密度在5.43~14.44 mA∙cm-2 之间，开路电压在0.64~0.75 V之间，最终效率在2.90~6.90%之间。研究了光敏染料结构与光谱和光电转换性能的关系，得出的规律性结论有：1）辅助受体的引入比辅助给体更有利于改善光谱吸收，提高光伏性能；2）双给体类敏化色素光伏性能受π桥影响较小，而双受体敏化色素光伏性能随π桥变化较大，一般以苯环为π桥得到的双受体敏化色素由于开路电压和填充因子较大，光伏性能较优。