基于钴电解质的光敏染料的研制及光伏性能研究

Dye-sensitized solar cells (DSCs) have become one of the important research areas in the field of photovoltaic applications. Sensitizers and electrolytes play key role in the performance of DSCs. In this project, series of organic dyes containing electron donor (D), conjugated bridging segment (π) and acceptor (A) will be synthesized to improve light harvesting and the ability of retarding charge recombination for DSCs employing the cobalt complexes-based electrolytes. The conjugated bridging segments of dyes with proper rigidity and rich electron-donating will extend light absorption waves and enhance the maximum molar absorption coefficients. The long alkyl substituents on the donor segments and bridging segments will be beneficial to DSCs in retarding charge recombination. An introduction of N, O atoms in bridging segments will enhance electron-donating ability of dyes and effective electron injection. We also plan to synthesize cobalt complexes containing different ligands for exploring new high efficient cobalt complexes-based electrolytes. Based on the design and synthesis of new organic dyes and ligands, we will enucleate the structure-property relationship of organic dyes and electrolytes as well as their concerted interaction. This project aimes to provide experimental and academic foundation for design and synthesis of efficient organic dyes and cobalt complexes-based electrolytes, which are important for further efficiency improvement of DSCs and important for exploiting solar energy.

染料和电解质是影响染料敏化太阳能电池(DSCs)光伏性能的关键部分，已经成为DSCs的研究热点。本项目拟设计合成具有给体-共轭桥-受体结构的新型染料，着力提高染料的光捕获能力和抑制电子复合能力，使之能适用于钴电解质。染料中适当刚性结构、富电子的共轭桥，可以拓宽染料的光谱响应范围，提高染料的摩尔吸光系数；一定数量的长链烷基，可以阻止电解质离子向二氧化钛薄膜层靠近，减少电子复合；共轭桥上构筑的氮、氧等杂原子可以提高染料的供电性能和电子注入效率。在研究染料的同时，合成二齿和三齿含氮配体，开发新型高效的钴电解质。项目以新型染料和配体的设计与合成为主线，研究染料和钴电解质的结构对光伏性能的影响，揭示它们的构效关系及协同作用规律，为设计合成性能优良的染料提供实验和理论基础，研究成果对提高DSCs的光电转换效率和开发利用太阳能具有重要的现实意义。

深入理解有机光敏剂的构效关系对光敏染料设计合成和染料敏化太阳能电池（DSC）的发展具有重要意义。项目通过分子工程，设计合成32个新型有机染料化合物，具有光谱响应范围宽、抑制电子复合的优点，为开发实用性的染料敏化太阳能电池提供重要的研究基础。合成了新型氮吡咯噻吩共轭桥结构的染料，富电子的氮吡咯噻吩引入共轭桥中，能有效的拓宽染料的吸收光谱，增强摩尔吸光系数，减少钴基电解质传输速度较慢的不足，提高钴基电解质的光电流密度；设计合成了茚基三芳胺供电基团的染料，将立体大空间位阻结构的三聚茚基团引入到光敏剂分子骨架中，可以提高摩尔吸光系数，而且其刚性大空间位阻结构，还能高效的抑制电子在TiO2/染料/电解质界面间的电子复合，从而使其开路电压得到很大的提升；设计合成咔唑类芳胺供电基团的染料，以咔唑衍生物作为供电基团合成非对称型的有机光敏染料，通过对三芳胺中一个供电基的改变，可以实现对光敏染料空间结构的精细调节。通过染料的共轭桥和供电体结构的优化，有效调节有机染料的能级、光谱以及光伏性能，设计合成的三聚茚三芳胺为供电基团，以氮吡咯噻吩为共轭桥的新型染料，制备的有机染料敏化太阳能电池在标准光强照射下获得了9.7%的光电转换效率。本项目研究结果为新型有机染料的设计合成提供了有益实验方法和理论依据，对深入理解光伏电池的基本原理和规律具有重要意义。