新型D-B-A结构卟啉染料的设计合成及其在高效染料敏化太阳能电池中的应用

Dye-sensitized solar cells（DSSC） is one of the most promising methods for future large-scale power production from renewable energy sources. In these cells, the sensitizer is one of the key components harvesting solar radiation and converting it into electric current. In recent years, porphyrin sensitizers have been the most efficient dyes reported in DSSC. It is of great significance to design and synthesis of novel porphyrin sensitizers with donor-bridge-acceptor structure for highly efficient dye-sensitized solar cells. In this project, we will design and synthesis of a series of novel porphyrin sensitizers containing the following four kinds structure units respectively: 1)porphyrin-porphyrin；2）porphyrin-fullerene; 3) porphyrin-carbon nanotube and 4) porphyrin-graphene. their photovoltaic performance, and photophysical and electrochemical properties, and structure–property relationships will be investigated systematically, which would be an effective approach to enhance the light-harvesting ability and to block the aggregation of porphyrin sensitizers for significant promotion of the overall performance of a DSSC.

染料敏化太阳能电池（DSSC）是将来可大规模使用再生能源的最有希望的技术之一， 其中敏化剂起着捕获太阳光并将之转化为电能的关键作用。 近年来卟啉类化合物已发展成为最有效的一类敏化剂，开展具有电子给体-桥基-电子受体（D-B-A）结构的新型卟啉染料的设计合成及其在高效太阳能敏化电池中的应用研究具有重要的理论和实际意义。本课题将分别设计合成系列并分别含以下4类结构单元的新型卟啉类染料分子：1）卟啉-卟啉；2）卟啉-富勒烯；3）卟啉-碳纳米管和4）卟啉-石墨烯。系统研究其光物理、电化学性质及其DSSC光电转化效率，探索其结构与光电转化效率的构效关系规律，以解决卟啉类敏化剂普遍存在吸光范围窄和容易自堆积的问题，实现卟啉敏化DSSC电池的光电转化效率的新突破，发展系列新颖高效的卟啉类有机光电材料。

本项目围绕“新型D-B-A结构卟啉染料的设计合成及其在高效染料敏化太阳能电池中的应用” 的研究主题开展卓有成效研究工作， 成功地设计合成了102种全新的卟啉类和有机杂环类染料敏化分子并将其应用于染料敏化太阳能电池，取得了一系列原创性的研究成果：1）从不同杂环结构电子给体单元出发，设计合成了37种新颖的卟啉类染料分子，其中染料分子JY48达到了8.44%的最高光电转换效率，在相同的器件测试条件下比明星卟啉染料分子YD2-0-C8的效率（7.60%）提高了11%，另有4种卟啉类染料分子（JY34~JY37）在与有机染料JY23共敏化的条件下也都获得了超过8%的光电转换效率； 2）设计合成了具有双D-π-A结构特征的8种新颖的卟啉类染料分子，研究经过表明其光电转化效率都要优于其单D-π-A结构的参比染料分子；3）以双噻吩并吡咯衍生物为π-桥连基团，设计合成了4种具有D-A-π-A 结构的新型吩噻嗪染料分子并都取得了超过参照金属染料N719（8.79%）高效的光电转换效率（8.19-10.06%），3种染料(JY53~JY55)的光电转化效率（9.25-10.06%）超过了相同条件下的金属钌配合物染料N719 (8.79%)， 特别是染料分子染料JY55在碘电解质和1.5个标准太阳光照射下光电转换效率达到10.06%。成为本课题发展的首个单一染料PCE超过10%的超高效有机小分子染料；4）分别以三聚吲哚、吡咯[3,2,1-kl]并吩噻嗪和含茚[1,2-b]并吲哚螺芴等结构类型各异的有机杂环类单元作为染料的电子给体，设计合成了53种新型的有机杂环类染料分子并都取得良好的光电转化效率，其中有7种杂环染料分子光电转换效率超过了8%。