平面二硫富瓦烯敏化剂分子的合成及其聚集态对染料敏化太阳能电池性能影响的研究

Dye/nanoparticle interface optimization has attracted seriously research attention in dye sensitized solar cells (DSSC). Due to it is a generally effective way to decrease the side effects, such as charge recombination between injected electrons on semiconductor surface with oxidized dye and electrolyte species, and then realize high Voc. In this proposal, we demonstrate a strategy to form a well-ordered and compact single dye block layer on the surface of nanoparticle for optimization the dye/nanoparticle interface to enhance the DSSC performance, which is based on the small dye molecules would be more favorable to cover the entire surface of the nanoparticle and the anticipated aggregated dye layer would be formed through absorption dynamic control the intermolecular π-π stacking of coplanar dye molecules during single molecule dispersed state to absorbed state. To realized it, coplanar dithiafulvene sensitizer would be designed and synthesized, followed by theoretical calculation and experimental analysis of their molecular structure and properties, then combine with dye absorption process control the interaction between dye molecules to maximize the amount of the absorbed dye on the surface of nanoparticle as well as increase electron injection and retarding charge recombination. We believe this research would offer a valuable theoretical and experimental reference for improving Voc and further DSSC performance.

对染料/纳米半导体界面进行优化，减少电池工作中的副反应，获得高的开路电压（Voc），是染料敏化太阳能电池（DSSC）研究领域的热点之一。本项目利用空间位阻小的染料分子利于覆盖整个纳米半导体表面以及平面染料分子易发生π-π堆积自组装成有序聚集体的特点，加以吸附动力学控制，使染料从单分子分散到纳米半导体材料表面形成排列有序、吸附致密的单分子层，实现染料/纳米半导体界面优化，提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率。本项目从染料分子自身性质出发解决染料/纳米半导体界面问题，以平面二硫富瓦烯敏化剂的合成为基础，结合理论计算和实验分析，通过染料吸附动力学控制敏化剂分子间相互作用，在用空间位阻小的平面分子保证最大化染料吸附量的同时，增加电子注入及降低电荷复合，为提高DSSC的Voc和光电转换利用率提供有价值的理论和实验依据。

对染料/二氧化钛界面进行优化，减少电池中电解液与二氧化钛的直接接触，从而降低电子复合等副反应，提高电池的开路电压（Voc）,是提高染料敏化太阳能电池效率的有效途径之一。本项目在实施中，基于平面型有机敏化剂易于发生致密聚集、可最大化提高染料吸附量等特点，利用其形成的致密聚集体阻挡电解液与二氧化钛的直接接触。具体的为以二硫富瓦烯为电子给体，腈乙酸为电子受体首先设计合成了一个平面型敏化剂DTF-C4，研究了敏化剂分子在二氧化钛表面有共吸附剂存在破坏聚集体、杂乱聚集以及J-聚集为主的等吸附方式对电池开路电压及性能的影响。最终发现，不良溶剂乙腈润洗吸附了染料的二氧化钛后，可形成J-聚集为主的吸附方式，电池的开路电压可提高到856 mv。与共吸附剂存在的吸附方式相比，电池效率由4.68%提高到了7.48%。基于以上研究成果，我们对二硫富瓦烯敏化剂中的共轭桥结构和光捕获单元进行了分子工程优化，合成了一系列以吡啶为吸附基团的敏化剂，结合不良溶剂润洗，具有两个光捕获单元的二聚体敏化剂D-DTFPy4将电池效率提高了近2倍，达到了5.26%。本项目的研究成果，对如何提高染料敏化太阳能电池的效率，从分子结构设计、染料/二氧化钛界面改性等方面提供了有价值的实验参考。在基金的支持下，本项目共正式在Dyes and Pigments, SCIENCE CHINA Materials及Chemical Communications等期刊上发表论文7篇，均为第一通讯作者文章。