基于平面线形大共轭π桥的有机分子用于染料敏化太阳电池的研究

Solar energy is a green energy which is regarded as one of the perfect energy resources due to its huge and inexhaustible quantities. Directly conversion of solar energy into an electric energy based on photovoltaics is the optimal way for electrified modern society. In current photovoltaic technologies, the DSSCs have been considered as a promising photovoltaic technique due to their unique biomimetic operating principle. There are four main components of DSSCs like, Photoanode, redox couple, counter electrode and sensitizer. The sensitizer, which acts as the light harvesting antennae, is essential for efficient capturing of photon and electron generation/transfer. Current proposal has been designed to design and synthesize planar linear large π-conjugated molecule in order to find a well suitable and balanced material for better light harvesting and electron transfer. Through the systematic study of different structures, different heteroatoms and connecting methods of big conjugate π bridge to constitute planar linear conjugate polyheterocyclic aromatic hydrocarbons and their relationship with photovoltaic performance will be evaluated. In this study, pure organic dyes will be designed and synthesized to obtain the entire visible region and near infrared region absorption range, ability to having a high molar extinction coefficient. So the organic dye-based solar cell capable of generating ideal photoelectric conversion efficiency close even to metallic ruthenium dye level. This project will provide a theoretical and a practical basic approach for further design of dye molecules, which the photoelectric conversion efficiency even more than ruthenium based dyes.

由于储量巨大、无污染，太阳能被认为是一种完美能量。在当今社会，利用太阳能电池板直接将太阳光转换为电能是最为有效的方式。在众多光伏发电技术中，基于独特仿生技术的染料敏化太阳电池（DSSCs）被公认为是最有前途的光伏技术之一。敏化剂作为DSSCs中的捕光天线，是有效的进行光捕获及电子产生/传输所必不可少的。本课题以平面线形大共轭稠环芳香烃为研究对象，考察其作为π桥结构时分子的光捕获能力及电子传输能力；通过系统的研究不同结构、不同杂原子、不同连接方式的大共轭π桥分子来解析平面线形共轭单元在染料分子中的作用，明确其结构和电池光伏性能的关系。通过优化分子结构，本研究以期获得在整个可见光区及近红外光区都有吸收能力并具有高摩尔消光系数的染料分子，使基于该类染料的太阳电池产生理想的光电转换效率，接近甚至达到金属钌系列染料的水平，为进一步设计出光电转换效率超过金属钌染料的纯有机染料提供理论和实践上的依据。

光敏染料作为染料敏化太阳电池的核心组成部分之一，对电池的光电转换性能有着决定性的作用，而光电流和光电压是衡量高效光敏染料的两个重要指标。本项目通过构筑线形平面π桥的染料分子以提高电子传输和注入效率，从而最终提高敏化电池的光电流。研究中我们设计了多个线形多环共轭单元，共合成了七类22种有机光敏染料。研究发现，额外的电子给体对分子吸收光谱影响较小，主要影响染料分子的空间排布；而π桥侧链引入烷基链可以增加分子的溶解性，对分子聚集行为也有很好的抑制作用，即使平面型的分子也能够获得理想的光电转换效率。值得注意的是，含有不同杂原子的相似结构不仅影响分子的光物理性质和电化学性质，还会影响它们在TiO2膜上的吸附量。我们的研究还发现，在烷基链较少的情况下，线形大共轭π桥的染料分子依然表现出比较严重的聚集行为，因此我们在线形结构上引入了两个支化的烷基链以抑制分子聚集。结果证明相对于普通的平面型染料分子，多个支化烷基链的引入使电池开路电压有了显著的提高。在上述研究基础上，我们进一步将吲哚并咔唑与二苯并噻吩并吡咯两个结构单元组成特殊的棒状结构，并在分子上链接了三个支化烷基。研究表明这种结构能有效的提高电池光电压，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，这为光敏分子设计提出了全新的思路。此外，本项目还对电池器件的制作进行了探索研究，包括光阳极的厚度、拟固态电解液等，为今后优化电池器件的性能积累了大量经验。