非对称卟啉敏化太阳能电池材料的合成及光电性能研究

本项目拟从分子设计出发合成非对称卟啉衍生物，再对其β位进行环加成反应, 破坏卟啉环对称性，以期达到光谱范围宽，吸光性能好，通过合适的桥接基团把丙二酸等极性基团引入卟啉的相应的β位，以期得到具有长的电荷分离态、易于结合纳米二氧化钛的敏化染料，并进行光电转换性能研究，最终组装染料敏化纳米二氧化钛太阳能电池。探讨其分子设计的合理性以及结构与光电性能的关系，探讨卟啉对称性与其光电能量转换效率的关系，通过泛函密度理论计算与实验结果相结合探讨卟啉分子尺寸大小与其光电能量转换效率的关系，探讨桥接基团和"锚"基团与电荷分离态、分离电子寿命、电荷重组以及电子空穴注入相应电极的关系。可望揭示分子结构与光电性能的关系，为卟啉光电材料的发展提供新的思路和理论依据。

国家自然基金项目 项目名称：“非对称卟啉敏化太阳能电池材料的合成及光电性能研究”（项目编号 21076147） 执行时间：2011.1-2013.12。项目按计划完成了任务，达到预期目标。.项目通过分子设计合成了两大类42个不对称卟啉敏化染料，研究了卟啉分子结构与光电性能的关系，将其应用在染料敏化纳米晶二氧化钛有机太阳能电池上，将光能转换成可被利用的电能，实现光电转换效率达到6.1%。研究了光阳极材料，采用孔径渐进的结构的光阳极，在效率上比普通光阳极提升了17%。.主要研究成果如下：.1．研究了合成不对称卟啉的方法。以芳醛与吡咯为原料，可选择性水相合成5-芳基二吡咯甲烷、5，10-芳基二取代三吡咯烷 及5，10，15-芳基三取代四吡咯烷。该方法原料易得，反应温和，反应步骤少，选择性高，易于克量级合成。采用该方法合成了65个未见报道的中间体及6个非对称卟啉。.2. 设计合成了22个不对称β位“推-拉”式卟啉染料、 20个不对称中位修饰的“推-拉式”卟啉染料，进行了光电性能研究，得出了染料结构与性能关系的规律， 并从理论上给予解释。 单纯用β位-修饰卟啉类敏化染料的光电转换效率达到6.1%。 .3. 研究了光阳极材料。水热法制备二氧化钛纳米粒子，光电转化效率达到9.0%，比普通光阳极提高了13%；采用孔径渐进的结构的光阳极，在效率上比普通光阳极提升了17%；微乳液TiO2材料制备了渐进核心散射光阳极,在效率上比普通光阳极提升了24%。.4. 初步探讨了卟啉类敏化染料与氟硼二吡咯染料的复配及共敏化，共敏化染料比单纯用卟啉敏化染料光电转化效率显著提高，共敏化机理有待深入研究。.5. 项目的理论成果发表被SCI收录论文10篇,被EI收录论文4篇,申请国家发明专利3项。培养毕业博士研究生3人，硕士5人，在读博士生7人，硕士生7人。