高效染料敏化太阳电池的染料设计策略

【作者】 花建丽； 田禾；

【机构】 华东理工大学精细化工研究所；

【摘要】 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。迄今为止,大部分的纯有机染料由电子给体、共轭π桥、电子受体组成,即D-π-A结构。我们课题组针对DSSCs中的关键高性能染料分子材料的开发与结构和功能调控这个科学问题,从引入高性能有机染料、没有羧基的新型双电子受体和额外强吸电子基团等方面,对高效率染料敏化剂结构进行设计,获得了系列效率提高的DSSCs。(1)D-C-A高性能染料宽光谱敏化剂。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%;(2)没有羧基的新型双电子受体D-π-A-A结构的染料敏化剂。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,其中基于苯并噻二唑的丙二腈罗丹宁敏化染料电池效率达到8.53%;(3)D-A-π-A结构的染料敏化剂。与传统的D-π-A体系染料相比,强吸电子基团的引入不仅可以更好调整敏化剂能带和扩大光谱吸收范围,而且能更有效改善给体电子分布和提高染料稳定性。设计合成了一系列新型的含有强吸电子性能的苯并三唑、联噻唑、苯并噻二唑、苯并喹喔啉及吡啶并[3,4-b]吡嗪单元作为共轭桥的染料分子,其中以喹喔啉作为共轭π桥链,大吲哚啉为给体的染料电池在AM1.5标准模拟太阳光下其光电能量转化效率高达10.65%。更多还原