高原天然染料敏化剂的提纯、改性和共敏化的研究

Regarding to the advantages of high concentrations of dye molecules for the plants in high altitude of plateau due to their long sunshine time, this project aims at exploring plateau nature dyes used in dye sensitized solar cells (DSC) with high efficiency. We will investigate how the purification, modification and co-sensitization methods influence the dye composition, the molecule structure, the spectral response range, and thus the photovoltaic performance of the devices. Firstly, as for purification method, the influences of the purification conditions (such as temperature, time, solvent, pH value and so on) on the extracted composition and the dye solubility will be studied, coupled with how the processes of repeated extraction and chromatography affect the dye purity. Secondly, as for the modification method, research on the optimization of modification chemicals, catalyst, addition amount, reaction time, and temperature judging by the sensitizer structure, adsorption amount, IPCE and the photovoltaic performance will be carried out. Finally, as for co-sensitization method, we will study how the dye loading amount, spectral response range, and cell performance depend on the sensitizers' compositions, their proportion, the solvent, and sensitization sequence. After these efforts, we expect to obtain at least two kinds of plateau nature dyes with suitable spectral response range and good solubility, which will be further improved for their adsorption property and IPCE after molecule modification. Specifically, the overall cell efficiency will be enhanced by 10% after molecule modification, and further increased by 20% after co-sensitization.

本研究利用青藏高原植物受光照时间长、因而色素含量多的优势，研究高原天然染料的提纯、改性和共敏化对染料成分、分子结构、光谱响应范围等的影响,以及对染料敏化太阳能电池的光电性能影响。首先研究提取条件，如温度、时间、溶剂、pH值等对提取成分和染料溶解性的影响，研究多次萃取、层析等对染料纯度的影响。其次，研究改性试剂、催化剂，添加量，反应时间、温度等对染料敏化剂结构、吸附量、量子效率以及对电池光电性能的影响。最后研究染料敏化剂的成分、比例、溶剂、吸附顺序等对共敏化染料吸附量、光谱响应范围以及对电池光电性能的影响。获得两种以上具有合适光谱响应范围和良好溶解性的高原天然染料敏化剂。获得具有良好吸附量和量子效率的改性高原天然染料敏化剂。获得具有宽光谱响应范围的共敏化染料。敏化剂改性后的DSC光电转换效率比改性前提高10%以上。与N719共敏化的DSC光电转换效率比共敏化之前提高20%以上。

本研究针对染料敏化太阳能电池中染料价格昂贵、合成困难等不足，利用青藏高原植物受光照时间长、色素含量多的优势，研究高原天然染料的提纯、改性和共敏化对染料性能的影响。. 调研了不同高原植物中所含有的天然染料。集中含有花青素、类胡萝卜素的植物进行研究。研究发现利用相同的提取方法、相同的溶剂从相同颜色的植物中提取出的色素种类和含量也不尽相同。不同植物色素的紫外可见吸收光谱在一定程度上能够表征其光电性能的好坏，而色素与TiO2薄膜的吸附方式也会影响其光电性能。选择出了两种高原天然染料敏化剂，并且在可见光范围内有较宽的吸收范围。利用多次萃取与柱色谱分离提纯，分别得到的花青素纯度为97.20%，胡萝卜素染料纯度为92.34%。对于金莲花色素，在酸性条件下提取的色素比在碱性条件提取的色素的光电转化效率高37.9%。对于格桑花色素，在进行萃取、层析分离后，发现提纯后格桑花色素组装的 DSC与未提纯的格桑花色素组装的电池相比，前者的光电转换效率是后者的2.03倍，并且光、热温度性良好。.利用咖啡酸与花青素发生酰化和乙酰氯与花青素发生酯化可以改变花青素的羟基数量而利用高锰酸钾的强氧化作用可以将花青素分子的伯醇羟基强氧化为羧基。其中利用咖啡酸对花青素酰化，改性后电池的光电转换效率由0.52%提高到了0.71%，提高了36%。. 通过研究发现花青素与类胡萝卜素共敏时，混合共敏比分层共敏的效果要好，而共敏化剂的比例、浓度、共敏化时间等都会对共敏化剂的光电性能有影响。另外，添加在共敏化剂中加入适量的共吸附剂能够提高共敏化剂的性能。通过花青素与N719共敏化的研究发现花青素可以部分替代N719的使用。花青素与类胡萝卜素共敏化后的光电转换效率较单独花青素和类胡萝卜素的光电转换效率分别由0.176%和0.047%提高到了0.267%。叶绿素与栀子黄共敏化后在TiO2电极上表现出更好的敏化作用，光电转换效率是叶绿素的2.91倍。. 通过本研究发现对高原天然染料敏化剂进行化学改性为提高其光电转化效率提供了一条途径。