高性能染料敏化太阳电池材料的创新设计与可控制备

This project will develop the new concept “D-A-π-A” organic sensitizers instead of traditional D-π-A ones for highly efficiency organic dye-sensitizing solar cells (DSCs). Remarkably, the incorporated some novel structural low bandgap, strong electron withdrawing unit as additional electron trap would show several favorable characteristics in the areas of light-harvesting and efficiency: i) optimized energy levels, resulting in a large responsive range of wavelengths into NIR region; ii) a very small aggregation trend on thin TiO2 films; iii) an improvement in the electron distribution of the donor unit to distinctly increase the photo-stability of synthetic sensitizers. The goal efficiency of DSCs is expected to be improved up to 10-15%. This project will also explore some novel concepts organic solar cells including supramolecular assembly DSCs, panchromatic DSCs and light-switchable DSCs.

本项目针对染料敏化太阳电池中的关键光电转换材料，提出新增电荷分离“阱”(“electron trap”)的创新分子设计思路。在传统的D-π-A纯有机敏化染料的基础上，引入另外的强吸电子受体单元，系统优化给体、受体、共轭联接和吸附基团，设计并合成一系列具有创新结构的高性能、低成本的D-A-π-A型有机敏化染料，实现电池光电转化效率10-15％。同时发展新的非共吸附技术制备共敏化DSCs光电器件，并探索自组装和超分子组装结构的敏化太阳电池，以全新的概念和技术制备全色DSCs和光开关型敏化太阳电池。

（1）发展新型D-A-π-A 体系的高效率纯有机太阳能电池敏化染料。本项目提出引入额外的强吸电子基团作为辅助受体基团，设计合成了一系列新型的含有强吸电子性能的喹喔啉、吡啶并吡嗪以及噻二唑并吡啶单元的D-A-π-A型染料分子，极大地推动了有机敏化染料的创新构建。以喹喔啉作为辅助受体共轭π桥链，大吲哚啉为给体的染料电池在AM 1.5标准模拟太阳光下其光电能量转化效率高达10.65%；.（2）有机敏化染料共敏化研究取得重要成果。发展了一系列吸收峰在500 nm左右，并具有较大开路电压的纯有机小分子染料，作为卟啉染料的共敏化剂，有效弥补了卟啉染料在 500 nm 左右的吸收缺陷，通过与纯有机染料 WS-5 等共敏化，有效提升光电流和光电压，最终实现11.5% 的光电转换效率，取得目前碘电解质条件下，非钌染料的最高光电转换效率；.（3）光致变色染料敏化太阳能电池。将光致变色单元噻吩乙烯引入到有机光敏染料中，为界面光电性能的可控性开辟了一条新的途径。通过紫外或可见光照射（实现分子开关环变化），可得到不同光伏性能的光电器件，实现了同一敏化剂在不同光伏性能间的切换；.（4）开发新型的大给体有机染料在全固态染料敏化太阳能电池的应用。开发了基于大给体有机染料的高效全固态染料敏化太阳能电池，在旋涂制备的1.3 μm 的TiO2膜作为光阳极的全固态DSSCs 器件中，基于苯并噻二唑为辅助受体和三苯胺大给体的D-A-π-A型有机染料最高光电转换效率达到 7.51%。具有良好的半透明性薄膜全固态DSSCs在光伏建筑一体化（BIPV）以及光伏窗户等领域具有极大的发展潜力；. (5) 本项目在 J. Am. Chem. Soc., Chem. Sci., J. Mater. Chem. A, Chem. Commun., ACS Appl. Mater. Interfaces 等国际重要知名期刊发表了67篇论文。申请发明专利6项，其中3项已授权。培养研究生16名。