环金属染料的设计合成及其在染料敏化太阳能电池中的应用

Dye-sensitizer as an important part of dye-sensitised solar cells, instability and inadequate intake in the near infrared region of dye are challenging topic. On the basis of stability and broad absorption of cyclometalated complexes, this research proposal is devoted to the synthesis of near-infrared cyclometalated dyes. To obtain the high-efficiency near infrared cyclometalated sensitizer, we will tune the highest occupied molecular orbital (HOMO) and unoccupied molecular orbital (LUMO) energy level of cyclometalated complexes by modifying the structure of the cyclometalating ligands and non-cyclometalating ligands. We will assemble the dye-sensitized solar cell with near-infrared cyclometalated dye and nanocrystalline semiconductor. The DSSC will be examined and expected to boost the energy conversion efficiencies. The studies of molecular design rationality and the relationship between structure and photoelectric conversion efficiency will be carried out with the help of experimental and theoretical calculation results. These investigations are importance to the design and synthesis of new dyes and the promoting of the conversion efficiency of the DSSCs.

染料敏化剂作为染料敏化太阳能电池(DSSC)的重要组成部分，存在着遇水不稳定以及在近红外区域吸收能力不足等科学问题。为了解决这些问题，本项目基于环金属配合物具有稳定性好、吸收光谱宽广等特点，拟设计合成多种基于环金属配合物的近红外吸收染料。分别对环金属和非环金属配体进行结构修饰，达到对最高占有轨道(HOMO)和最低空轨道(LUMO)能级的合理调控，以获得性能优异的近红外吸收环金属染料。利用染料与无机氧化物半导体材料组装染料敏化太阳能电池，并进行光电性能的研究，优化DSSC的能量转换效率。结合实验结果和理论计算探讨分子设计的合理性以及分子结构与电池能量转换效率的关系，为今后设计新型染料分子和进一步提高电池的能量转换效率提供理论依据。

随着社会经济发展，能源问题日趋严重。新型太阳能电池以其潜在的低成本、较高的光电转换效率等优势，日益受到研究者的重视，并成为未来光伏市场的重要发展目标之一。为了解决染料敏化剂遇水不稳定以及在近红外区域吸收能力不足的问题，我们利用环金属配合物氧化还原电位低以及吸收宽广的特点，将环金属配合物作为染料光敏剂应用于染料敏化太阳能电池。设计合成了一系列近红外环金属钌配合物，并运用光谱、电化学以及理论计算等手段研究了它们的光电性能，并将它们成功地应用于染料敏化太阳能电池中。研究结果表明可以利用不同长度烷基链、不同电子效应端基基团和不同共轭体系对环金属染料的性能进行调控。另外，通过在环金属钌染料上引入三芳胺活性基团，构筑高稳定性的染料光敏剂。光伏研究表明适当圈数的电化学氧化聚合既能提高电池的稳定性又能够保持电池的光伏性能。同时，根据国内外研究进展，我们及时调整了研究方向，开发高效率、低成本的三芳胺空穴传输材料。以非螺环结构二维共轭有机材料为研究对象，设计合成了一系列以联苯、咔唑和芘为核心的三芳胺类有机小分子空穴传输材料。发展了一类具有高能量转化效率的新型芘分子体系，基于该分子体系的钙钛矿太阳能电池的能量转化效率超过20%，具有较好的应用前景。本项目共发表论文18篇，包括Angew. Chem. Int. Ed. 1篇，Chem. Commun. 1篇，Chem. Eur. J. 1篇，Inorg. Chem. 2篇，Dalton Trans. 3篇。