新型太阳能电池有机光敏染料及结构与性能研究

染料光敏纳米晶体太阳能电池有望成为新一代实用型高性能太阳能电池，有机光敏染料是决定其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。本项目针对前期研究的深入与创新面临的关键科学问题，拟选择香豆素、吲哚和三芳甲烷等发色体为给体，多烯、稠噻吩结构为π共轭桥，稠杂环取代羧酸结构为受体，设计并合成多系列典型结构新型稠杂环光敏染料；研究研磨无溶剂反应合成关键中间体和新型光敏染料的过程特征，探索不同反应体系无溶剂绿色化反应规律；测定与计算典型结构光敏染料的光电性能参数，研究分子结构与光电转换等性能间的内在规律性联系，探索光敏染料分子组合共敏化作用机制和器件化应用特征规律；建立光敏染料分子设计和共敏化光敏染料筛选的理论模型。

有机光敏染料是决定其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键合的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。项目设计并合成了四大类十七个结构系列共51个新型有机光敏染料，研究了其光电转换效率：以香豆素及其衍生物为给体，芳杂环为π桥，氰乙酸或罗丹宁乙酸为受体，设计合成了15个香豆素类光敏染料，效率η 达4.78%；；以吲哚啉及其衍生物为给体，香豆素为辅助给体，芳杂环为π桥，氰乙酸为受体，设计合成了10个吲哚啉类光敏染料，效率η达5.89%；以咔唑及其衍生物为给体，苯并噻二唑等为辅助受体，芳杂环为π桥，氰乙酸或罗丹宁乙酸为受体，设计合成了18个咔唑类光敏染料，效率η达5.62%；以三芳胺为给体，芳杂环为π桥，氰乙酸或苯甲酸为受体，设计合成了8个三芳胺类光敏染料，效率η达6.24%。研究了光敏染料及关键中间体的典型合成反应机理和绿色化合成。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。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）电子给体是决定光敏染料光谱性质和光电转换性质的关键。 给体共轭体系的增大或辅助给体的引入有利于优化光敏染料吸收光谱，提高分子捕光率；2）电子给体上引入能增加分子刚性或位阻的基团，可以减少分子的聚集，降低电荷重组几率；3）π桥上富电子或亲电性芳杂环的引入有利于增大最大吸收波长，使吸收光谱红移，而体积较大的苯环的引入有利于阻止染料聚集，减少电荷重组；4）具有大的共轭体系的受体的引入有利于增大吸收光谱响应范围，受体上强拉电子基团的存在，有利于分子内电荷的传输，提高电荷注入效率。