双捕光染料分子的设计合成及其敏化太阳电池性能研究

Inorder to solve the problems of dye-sensitized solar cells, this project focuses on the design and synthesis of a novel organic dyes which contain two separate light-harvesting units (coded as TLH-dye). TLH-dye is expected to improve the absorption efficiency of dye because the number of light-harvesting units is increased. By introducing a variety of donor (D), acceptor (A), π-bridge and anchoring groups with Suzuki coupling reactions, a series of intermediates with D-π-A structure as light-harvesting unit are prepared. Williamson reaction between the intermediates and dihaloalkanes affords TLH-dyes. The basic scientific topics of the TLH-dye system, such as the relationship between the absorption performance and the structure of the light-harvesting units, the structure and number of connecting groups, ect, will be studied, revealing the general law of the system. The TLH-dyes will be applied to assemble TLH-dye-sensitized solar cell. By testing the photoelectric conversion efficiency of the cell, the dual relationship between the molecular structure of the dyes and the performance of the cell will be studied and discussed in detail. This design of TLH-dyes might open up the promising possibility to prepare novel organic dye for an enhanced light-current conversion and provide new ideas to improve photoelectric conversion efficiency of dye-sensitized solar cells.

针对有机染料敏化太阳电池存在的效率和稳定性问题，设计合成一种既能提高其光电转换效率、又能增加其稳定性的新型有机染料- - 双捕光染料。通过在双捕光染料中引入两个捕光基团, 提高其光吸收强度和拓宽其光吸收范围；通过在双捕光染料分子中引入两个及两个以上的锚固基团, 使其能与半导体纳米晶表面发生多重键结, 避免其在使用过程中的脱落问题。研究双捕光染料体系的基本科学问题，揭示该体系的一般规律。组装双捕光染料敏化太阳电池，研究染料结构与电池性能之间的关系，探讨锚固基团对电池稳定性影响的一般规律。为设计合成新型高效有机敏化染料、提高染料敏化太阳电池的光电转换效率、增加电池的稳定性提供新思路和理论依据。

染料敏化太阳电池是很有潜力的光电转换装置，但存在光电转换效率偏低和电池稳定性差等亟待解决的关键问题。本项目为尝试解决这些问题，设计合成一种具有独立的两个捕光基团的新型有机染料- -双捕光染料。主要研究内容如下：设计合成了一系列双捕光染料分子，表征了其分子结构，研究了双捕光染料的光物理性能和光电转换性能；在双捕光染料分子中引入两个及两个以上的锚固基团, 探讨染料结构与电池稳定性之间的关系；将这些染料构建新型染料敏化太阳电池，研究染料结构与电池性能之间的关系。本项目取得了一些重要的研究结果：1、与只有一个捕光基团的染料（简称为单捕光染料）相比，双捕光染料的摩尔消光系数大大提高（约提高了一倍），可显著提高其光吸收强度；2、通过改变两个捕光单元的捕光范围，可以拓宽染料的光吸收范围；3、锚固基团数的增加使染料分子能与半导体纳米晶表面发生多重键结,有效解决了染料分子在使用过程中的脱落问题，提高了电池的稳定性；4、这种染料的连接基结构和连接位置对染料的光电转换效率影响很大：连接基的长度要合适，太长会降低光电转换效率；连接基在给体上比在π桥上更能有效提高光电转换性能。项目发表SCI收录论文24篇，申请发明专利4件，其中一件已授权；培养博士研究生7名，硕士研究生2名。项目取得的研究成果为设计合成新型高效有机敏化染料、提高染料敏化太阳电池的光电转换效率、增加电池的稳定性提供新思路和理论依据。