新型近红外BODIPY太阳能电池敏化染料的合成及其光伏性能研究

Dye-sensitized solar cells (DSSCs) as next generation photovoltaic devices have attracted increasing scientific interest due to their promising potential to achieve a high solar-to-electricity transformation at a low cost, with resource-abundant materials as well as simple manufacture technologies. BODIPY and Aza-BODIPY are interesting fluorophores with a strong absorption coefficient in visible and near-IR ranges, light stability, relatively long excited-state lifetime and good solubility in organic solvents. In this work, BODIPY and Aza-BODIPY will be used as conjugated bridges, linking the donor and acceptor from 2-and 6-positions to form the D–π–A systems. We expected that this modification, including the changes of phenothiazine and the π bridge (addition of thiophene or benzothiadiazole) and the number of D–A branch, can be an effective approach to broaden the spectral absorption envelope while facilitating favorable charge transfer. The absorption and charge mobility of the dye is important for achieving high performance photovoltaic cells. In combination of optical and electrochemical properties and theoretical studies of HOMO and LUMO levels, the structure-property-photoelectric transfer efficiency relationship will be demonstrated to guide the design and optimize of other sensitizers, ultimately leading to improved power-conversion efficiencies of DSSCs based on BODIPY and Aza-BODIPY dyes.

染料敏化太阳能电池结构简单、成本低廉、易于制造，具有十分诱人的应用前景，其主要光电转换核心是染料。本课题拟设计并合成一系列以氟硼二吡咯（BODIPY）和氮杂氟硼二吡咯（Aza-BODIPY）类化合物为共轭桥的新型高性能纯有机太阳电池敏化染料，以解决目前有机敏化染料光谱较窄、光电转换率低和稳定性差等问题。在BODIPY的2,6位分别共轭引入电子受体和给体基团，构建近红外宽光谱D-π-A型敏化剂。通过对其6位上吩噻嗪不同取代位置取代基团的修饰调控，及在其2位引入额外的富电子或低带隙电子基团，或改变单分子染料中给体受体的数目来增加染料的共轭长度，提高电荷迁移性能，使染料的吸收范围与太阳光谱匹配。期望由此新型的改性结构，制作光电转换效率和稳定性更高的染料敏化太阳能电池；同时研究染料结构–性能–转换效率的内在联系，为其他光敏剂的设计和优化提供理论指导。

BODIPY染料由于其高摩尔消光系数，宽吸收波段，长寿命激发态以及易裁剪性等优点，日益受到研究人员的关注。本项目设计并合成了一系列的2,6-改性BODIPY纯有机敏化染料，深入研究了染料分子结构–性能–转换效率的内在联系，为其他光敏剂的设计和优化提供理论指导。（1）我们首先选择吩噻嗪核心单元作为BODIPY 6位上的电子给体，通过在吩噻嗪杂原子N上引入不同的取代基团改善染料的性质，设计多样的分子结构；同时在BODIPY的2位上引入额外的呋喃、噻吩等富电子共轭基团，吸收光谱得到拓宽，染料的光电流、光电压以及光电转化效率均显著提高；将吸电子端的氰基乙酸换为更具强电子能力的绕丹宁乙酸，亚甲基的存在使得LUMO能级上电子云主要集中在绕丹宁环上而不是羧酸上，使得电子云和TiO2的3d轨道重合不完全从而降低了激发态电子的注入效率。（2）发现相对于传统的D–π–A染料，对于U型双支链结构(–D-π-A)2 和(–D-π-π-A)2 的BODIPY染料分子：光收集单元的增多提高染料的光捕获能力和摩尔消光系数，其电池器件IPCE工作谱随之增强，最终得到较高的光电转化效率；对于V型双受体D(-π-A)2 和 D(-π-π-A)2 的BODIPY染料分子：长共轭框架有利于光谱拓宽和有效电子提取，抑制激发态猝灭，提高电荷寿命和开路电压，分子构型的改变成功抑制了电池内部不利的电子复合过程。（3）采用其他芳香胺给体代替吩噻嗪，调节染料分子的电子能级分布，提高电荷迁移性能，使BODIPY染料的吸收范围与太阳光谱匹配。以这些染料制成的电池器件光电转化效率远高于文献报道的其他两种设计策略的BODIPY染料，从文献最高值1.30%，逐步提高至5.31%。（4）还对比研究新型2,6-改性喹啉和喹唑啉系列染料分子，相比于喹唑啉染料，喹啉具有高的摩尔消光系数和光谱响应范围，制作的电池器件获得相对好的光电流密度和开路电压。研究表明，4-丁氧基二苯胺修饰的喹啉分子光电转化效率最高。总体来说，课题按计划进展顺利，预定的任务目标得以落实和执行，为后续工作开展打下基础并指明方向。