宽吸收有机小分子和大环染料敏化剂的设计合成与光伏性能研究

有机染料敏化太阳能电池是当前国际上的研究热点和前沿领域。本项目拟设计合成一系列的宽吸收有机小分子染料敏化剂和大环卟啉金属配合物及可溶酞菁金属配合物染料敏化剂。这些新型非钌有机染料敏化剂将具有吸收范围宽，稳定性好，光电转换效率高，价廉环保等特点。由调控染料敏化剂的分子结构拓宽其吸收光谱范围，通过研究染料敏化剂的分子结构与其光物理性能、电化学性能的关系，以及染料敏化剂在二氧化钛膜上的吸附性能和电荷传输性能等对太阳能电池的光伏性能（开路电压、短路电流、填充因子和能量转换效率）的影响规律，为获得高光电转换效率的液态或固态染料敏化太阳能电池器件提供新材料和新思路。

本项目在综合国内外有机染料敏化太阳能电池的研究进展和前期研究基础上，设计合成几个系列的有机小分子染料敏化剂和大环卟啉、酞菁金属配合物染料敏化剂及有机电子给体材料。由调控染料敏化剂的分子结构拓宽其吸收光谱范围，通过研究有机染料敏化剂的结构与其光物理性能、电化学性能及光伏性能的关系，以及染料敏化剂在二氧化钛膜上的吸附性能和电荷传输性能等对太阳能电池的光伏性能的影响规律，为获得高光电转换效率的染料敏化太阳能电池和聚合物太阳能电池器件提供新材料和新思路。. 本项目取得如下主要研究结果：1、设计合成了六类共14种含三苯胺及其衍生物的宽吸收有机小分子染料敏化剂，系统地研究了有机染料敏化剂的结构对光物理性能、电化学性能和光伏性能的影响；基于甲基三苯胺和吲哚及噻吩芴衍生物为电子给体基元的染料敏化剂的太阳能电池器件，分别获得了6.74%和7.90%的能量转换效率，研究结果发表在国际电源权威期刊Journal of Power Sources，2014, 248, 400-406，该论文入选2014高引论文全球ESI排名前1%。并申请了中国发明专利“一种有机染料敏化剂及制备方法”（专利申请号：201410222203.5）和“一种含有三苯胺-噻吩芴衍生物的有机染料敏化剂及其制备方法” （专利申请号：201510696286.6）。2、设计合成了5种含有卟啉锌配合物的染料敏化剂，研究了它们的光物理和电化学性能，用于染料敏化太阳能电池获得了最高5.46%的光电转换效率，同时还合成了两种含卟啉锌配合物的共轭聚合物用于本体异质结太阳能电池获得了1.26%的光电转换效率。3、设计合成了两种含酞菁锌配合物染料敏化剂，并对其结构进行了表征，用于染料敏化太阳能电池获得了1.09%的光电转换效率，并指出了这类染料敏化剂光电转换效率不高的原因所在。同时合成了含有酞菁锌配合物的共轭聚合物用于本体异质结太阳能电池获得了1.56%的光电转换效率。4、采用氮渗碳气凝胶的方法制备了工艺简便、成本低廉、孔结构可调的柔性对电极，用于染料敏化太阳能电池其光电转换效率可以达到贵金属铂电极相当的效果。5、设计合成了7类新型共轭聚合物作为电子给体材料用于本体异质结太阳能电池获得了最高6.50%的光电转换效率，为后续聚合物太阳能电池材料的研究打下基础。