电化学聚合制备稳定高效的咔唑类染料敏化太阳能电池

Our purpose is to solve the problem of low energy conversion efficiency in polymer dye sensitized solar cells (PDSC). Focus on the synthesis of stable absorption and ordered assembly polymer dye via electrochemical polymerization method, preparation of stabilized and high efficient PDSC devices: Firstly, by changing the dye's π-unit and the connection unit between carbazole and triphenylamine, design and synthesis of a series of electrochemical active carbazole based D-π-A type small molecule dyes. Then, using small molecule dye sensitized TiO2 film as working electrode, under the illumination condition, the polymer dye is synthesized by the innovative technique of “first adsorption and post polymerization” via electrochemical polymerization method. Thirdly, systematically study the effect of polymer dye on dark current, short circuit current and adsorption stability of PDSC, so as to prepare high performance PDSC devices, which is expected to provide a new way and experimental basis for solving the problem of poor photovoltaic performance for the current PDSC devices. Basis for solving the problem of poor photovoltaic performance of the current PDSC devices.

针对聚合物染料敏化太阳能电池(PDSC)能量转换效率偏低的问题，本项目以电化学聚合方法合成吸附稳定、组装有序的咔唑类聚合物染料为重点，制备稳定、高效的PDSC器件为目的：首先通过改变染料的π-桥链单元以及咔唑与三苯胺间的连接单元，设计与合成一系列有电化学活性的含咔唑D-π-A型小分子染料；其次，以小分子染料敏化的TiO2膜为工作电极，利用电化学聚合的方法，在光照条件下，创新性地利用“先吸附，后聚合”的工艺方法在TiO2电极上制备聚合物染料层；第三，系统地对PDSC的暗电流、短路电流和吸附稳定性进行研究，从而制备高性能的PDSC器件，有望为解决目前PDSC所面临的光伏性能差的问题提供新的思路和实验依据。

目前，高效率的染料敏化太阳能电池（DSCs）都是基于有机小分子染料制备，然而有机小分子染料的稳定性问题却限制了电池的寿命，成为其走向应用的瓶颈。聚合物染料具有许多特殊的潜在优点，如较强的光捕获能力、良好的热稳定性、耐光性、耐电化学腐蚀性和良好的成膜性，都是开发稳定、高效的DSCs所需。然而，在溶液加工过程中，聚合物存在的聚集和链缠绕问题，限制了聚合物染料在该领域的应用和发展。针对上述问题，本项目提出利用电化学聚合，采取“先吸附，后聚合”的工艺方法制备吸附稳定、组装有序的咔唑类聚合物染料：先通过合理的分子设计，如改变π-桥链单元和咔唑的连接单元，合成一系列有电化学活性的含咔唑的小分子染料；其次，通过溶液吸附法预制DSCs电极，在光照条件下，利用电化学聚合制备组装有序的聚合物染料敏化的光阳极；最后，将其组装成聚合物染料敏化太阳能电池（PDSCs），并较为系统地研究其光伏特性和稳定性。结果发现，电聚合染料的光伏性能相比相应的聚合物染料具有明显的提升，在以噻吩和EDOT为π-桥链单元的系列分子中，polyPAC-03的能量转换效率（PCE）达到6.6%，比相应的聚合物PAC-03（PCE=4.01%）提高了近40%。脱附实验发现，聚合物染料仅在其不良溶剂中体现出较好的吸附稳定性，而电聚合染料在大部分溶剂中都体现出良好的吸附稳定性。引入新的π-桥链单元如吡咯并二噻吩（DTP）、苯并噻吩呋喃（BDF）和吩噁嗪（POZ）后，相应电聚合染料的PCE具有明显的提升，其中polyVN5的PCE达到了9.6%，高于结构类似的小分子染料YH4（PCE=8.97%）。通过本项目的实施，我们发现电聚合制备聚合物染料的方法获得了预期的成效：电聚合染料除了具有小分子染料和聚合物染料无可比拟的吸附稳定性以外，短路电流几乎接近结构类似的小分子染料，能量转换效率都优于聚合物染料。说明本项目采取的方法有效的改善了“先聚合，后吸附”工艺存在的分子间的缠绕和堆砌的问题，且有望为开发具有应用价值的PDSCs提供新的契机。