基于量子点/内酰（亚）胺共轭桥染料敏化太阳能电池

本项目拟设计和合成新型的含有邻苯二甲酰亚胺(PTI)、二氧吡咯噻吩(DPT)、吡咯并吡咯二酮(DPP)及异靛蓝(ID)单元为共轭桥的宽光谱染料敏化剂。PTI、DPT、DPP和ID单体因分子中含有强吸电子的内酰亚胺或内酰胺基团而呈现出强缺电子性能，它们作为一种缺电子性能的杂环共轭桥，不仅可以拓展敏化剂的光谱吸收范围，而且可以有效提高染料分子内电荷转移效率和稳定性。此外，通过利用它们单体的多个反应位点，合成一系列含两个端羧基的敏化剂，进一步提高染料的吸附量和电池的光电流，以期得到高效、可应用的染料敏化剂。探索开发不同能带结构（type-II, 反转type-I)的量子点材料，实现电子、空穴的有效分离以提高光电转换效率。并以这些新型高效有机染料或量子点作为敏化剂，制备太阳能电池。通过材料光物理表征、光伏器件制备和光电转化效率等研究，探讨结构-性能关系，并寻求新的突破，以获得自主知识产权的成果。

染料敏化剂是染料敏化太阳能电池（DSSCs）的光捕获天线，是整个DSSCs系统的核心部分，本项目研究内容为基于量子点/内酰（亚）胺共轭桥染料敏化太阳能电池的性能研究。主要成果如下：.1. 基于D-A-π-A的宽光谱敏化染料的合成与性能研究。与传统的D-π-A体系染料相比，强吸电子基团的引入可以更好调整敏化剂能带、扩大光谱吸收范围和提高染料稳定性。设计合成了一系列新型的含有强吸电子性能的喹喔啉、吡啶并[3,4-b]吡嗪、[1,2,5]噻二唑并[3,4-c]吡啶、辛氧基苯并噻二唑以及联噻唑单元作为共轭桥的染料分子，并将其应用于染料敏化太阳能电池。以喹喔啉作为共轭π桥链，大吲哚啉为给体的染料YA422电池在AM 1.5标准模拟太阳光下其光电能量转化效率高达10.65%。相关成果发表在J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 5722..2. 基于高性能染料宽光谱敏化剂的合成与性能研究。吡咯并吡咯二酮（DPP）、喹吖啶酮及异靛蓝等高性能有机染料都具有优异的化学、热和光化学稳定性，在300~600 nm附近有很强的吸收，它们不仅可以扩大共轭系统和拓宽光谱吸收范围，而且能够提高染料分子内电荷转移效率和稳定性。设计合成了一系列新型的基于高性能有机染料共轭桥的敏化染料，其中以2-乙基己基叉链为侧链基的 DPP 敏化染料电池效率达到 7.63%。.3. 没有羧基的新型双电子受体染料敏化剂的合成与光伏性能研究。有机染料敏化剂的受体通常是含羧基基团，但是电池在长时间光照下羧基会在二氧化钛表面解离，降低了染料的稳定性。我们报道了一种新型的电子受体2-(1,1-二氰亚甲基)罗丹宁（DCRD），该基团含有罗丹宁和二氰基两个强吸电子基团，能有效地拓宽染料的吸收光谱；可通过异构体中罗丹宁基团的氧原子和氮原子与二氧化钛纳米颗粒表面螯合，形成配位键，提高了材料的稳定性。相关成果发表在Angew. Chem. Int. Ed, 2012, 51, 9873;.4. 量子点离位配体交换途径的研究：为克服量子点低覆盖率弊端，我们开发出离位配体交换途径，使得量子点在TiO2膜表面覆盖率高达34%，沉积时间小于2小时；设计合成CdS/CdSe反转type-I核/壳结构量子点，使电子、空穴离域在壳层材料从而有利于电子向TiO2注入，结合开发的量子点高负载沉积技术, 组装的电池取得了5.32%。