染料敏化太阳能电池异卟啉多元染料的合成与性能研究

随着社会经济的发展，能源问题日趋严重。染料敏化太阳能电池(DSSCs)具有绿色环保、价格低廉等优点，在开发、利用太阳能领域引起了广泛重视，有很好的应用前景。新型染料分子的设计与合成是进一步提高其光电转换效率的一条重要途径。本项目从染料分子设计出发，拟合成含N-混乱卟啉的新型二元染料和三卟啉染料。与单色团染料相比，它们具有更大吸收截面，而且卟啉与异卟啉单元吸光波长范围有互补性，有望显著提高光吸收效率，特别是增强对长波光的吸收。而且通过分子结构的合理设计，其电荷分离态的正电荷与TiO2半导体表面有较大距离，可抑制电荷复合，提高电子注入TiO2导带的效率，有望得到高光电转换效率的DSSCs，并可以进一步深入认识染料结构对电池性能的影响。同时，本研究在卟啉与异卟啉合成、电子转移以及卟啉功能超分子等领域也有重要理论价值，有助于推动卟啉和异卟啉在太阳能电池等功能材料中的应用。

作为一种清洁的可再生能源技术，染料敏化太阳能电池是有效利用太阳能的一种重要手段，具有很好的应用前景。基于自然界中广泛存在的卟啉大环结构的敏化染料研究日益增多。但是，电池效率的进一步优化与提高以及染料结构与电池性能的关系等方面还有很多问题有待进一步研究。.本项目基于卟啉大环，设计、合成了一系列以三苯胺、三甲氧基苯、咔唑以及2-二苯胺噻吩等基团作为电子给体，以对乙炔基苯甲酸、噻吩甲酸等为电子受体的 D-π-A 结构敏化染料，并制备相应的电池器件，取得了一系列研究成果。主要包括以下几个方面： (1) 通过改变电子给体，系统调控染料 HOMO 和 LUMO能级分布，实现了电池效率的优化；(2) 在卟啉染料给体端引入额外的炔基，使吸收光谱红移，太阳能吸收能力增强。同时，还通过在卟啉 meso-位苯环的邻位和炔基相邻的苯环上引入烷氧基链等多重措施，克服共轭体系增大带来的染料聚集问题，并结合共敏化策略，优化和提高电池效率，取得了理想的效果，最高光电转换效率可达 9.59%; (3) 成功合成了三卟啉染料，并将其电池效率与相应的单卟啉作对比研究，系统讨论了染料结构与电池性能的关系；(4) 合成了一系列结构新颖的卟啉和异卟啉，研究了它们的荧光等相关性能，实现了异卟啉环的扩环和缩环等一系列有趣的结构转变和性能调控。.本项目研究结果在太阳能电池敏化染料设计与合成、卟啉化学和超分子化学等领域都有较高的理论价值。同时，也有较好的应用前景。完成本项目研究，相关结果已在 JACS 等刊物发表 SCI 论文 34 篇。