新型氮杂蒽类染料的制备及其光伏与光解水性能研究与构效关系

It’s an effective way to suppress the dark current and enhance the stability of dyes in DSSC and DS-PEC from the molecular level. Firstly, a series of novel acridine based dyes wiil be synthesized combining with the structural design and level regulation. Then these dyes will be applied to the n and p-n-type of DSSC and DS-PEC, and the performance of quantum efficiency and stability of dyes will be studied simultaneously. Afterward, the structure-activity relationship could be generalized.The separation and returnning mechanism of photogenerated charge must be analyzed(especially for the DS-PEC) to understand the causes of dark current. Secondly, follow the energy level matching principle, a co-sensitization method will be carried out by using dyes with complementary spectrum and molecular size to achieve full sensitized of most active sites of semiconductor and broaden the spectrum while suppress the dark current. At the same time, the adsorption behavior and kinetics of the process of co-sensitization will be investigated. Finally, an no-bias and efficient DS-PEC water splitting system will be constructed follow the method of constructing p-n junction.

从分子层面抑制DSSC与DS-PEC中暗电流，提升染料稳定性是一种有效的途径。首先，结合氮杂蒽结构单元的优点，通过染料分子结构设计与能级调控，合成一系列新型氮杂蒽类染料分子。并将其应用到n型、p-n型DSSC与DS-PEC中，从光量子效率与稳定性方面综合考察其性能。总结染料分子结构与器件性能之间的构效关系。深入分析光致电荷分离与回传机制。尤其是DS-PEC中光致电荷分离与复合、电子传输动力学行为等。了解暗电流成因。同时，采用光谱互补与“空隙缺陷”填充共敏化方法，结合能级匹配原则，实现活性位点充分吸附、拓宽光谱的同时抑制暗电流。详细研究共敏化过程中的吸附行为与动力学规律。最后，通过构筑p-n结的方法，构筑无偏压高效DS-PEC光解水系统，探索其中的方法和规律。

本项目主要目的是从分子层面出发，研究基于氮蒽基团的染料分子工程及其在DSSC中的光伏性能与构效关系。重点分为D-π-A或D-A-π-A型氮蒽类新型纯有机染料与锌卟啉染料两个系列，合成了近30个染料分子；并将其应用到DSSC中，从光量子效率、光伏效率、分子内的电荷传输、器件中的电荷寿命等方面综合考察其性能。同时，总结了染料分子结构与器件性能之间的构效关系。优化了用于染料分子结构与光谱性能模拟计算的量子化学计算方法。研究结果表明：作为氮蒽基团的POZ单元比PTZ单元更具应用潜力，基于POZ的有机染料与锌卟啉染料均获得了较好的光电转换效率。另外，基于N,N-双吩噻嗪苯胺的锌卟啉染料获得了8.0%的较高光电转换效率（N719，8.4%），是一类优异的给电子单元，在今后的高效染料的开发中具有很好的应用潜力。其次，通过一系列基于器件的电荷与分子内的电荷传输行为研究发现，影响DSSC器件的主要因素为：光谱的相应范围、分子内的电荷传输效率、界面电荷的寿命等，所以，如何有效的提升这三方面的性能是制备高效DSSC的关键，也是今后的重点研究方向。