新型联级供电子光敏染料的设计、合成及光电性质研究

In this project, a series of novel linking donor arylamine-based organic dyes with D-D-π-A structure by introducing TTF (tetrathiafulvalene) unit as secondary electron donor and different conjugated units as π-bridge are designed. The dyes with potential high efficiency will be selected based on the theoretical calculating results by studying their molecular configurations, energy levels, absorption spectra and the selected dyes will be further synthesized. The effects by modifying the molecular strutcures of selected dyes on their steric configuration, electron transmission, absorption spectra, energy level and photovoltaic properties will be investigated systematacially based on their electrochemical and photophysical measurement results. The intrinsic relationship of the dye structures, physical properties and device performances will be established tentatively. The results of this project will lay a solid foundation for exploring high efficient pure organic dyes and their potential application in dye sensitized solar cells.

本申请拟以目前光电转换效率较高的D-π-A类芳胺染料为参考，以TTF（tetrathiafulvalene，四硫富瓦烯）单元作为次级电子给体，通过引入数量不同的次级给体以及不同的共轭桥键，设计了一系列新型D-D-π-A类TTF/芳胺联级供电子纯有机光敏染料分子。通过理论计算分析目标分子的构型、能级结构及吸收光谱等特性，筛选可能具有较高光电转换效率的新型供电子光敏分子，并进一步合成所筛选目标染料分子。通过对所得染料分子的电化学、光物理及其在染料敏化太阳能电池（DSSC）器件中光电转换效率的表征，系统研究目标分子结构上的变化对于其吸收光谱、能级、电子传输、空间构型等以及相应染料敏化太阳能电池器件光电转换性能的影响，进而构建光敏染料结构、物性、器件光电转换性能三者之间的本质联系，为进一步得到新型、高效纯有机光敏染料提供参考。

本申请以D-π-A 类芳胺染料为参考，将富硫单元（DTF/TTF）、吩噻嗪/咔唑/咪唑等衍生物单元作为次级电子给体，通过引入数量不同的次级给体以及不同的共轭桥键，设计了一系列新型D-D-π-A 类联级供电子纯有机光敏染料分子。深入研究了目标分子结构上的变化对于其吸收光谱、能级、电子传输、空间构型等以及相应染料敏化太阳能电池器件光电转换性能的影响。结果如下：1）随着富硫单元数量的增加，相应光敏染料的光电转换效率也明显提升，说明利用富硫单元对三苯胺染料进行分子结构修饰是一种能够提高光敏染料性能的有效方法。2）吩噻嗪衍生物作为电子给体的光敏染料WY2敏化的DSSC电池较咔唑及三苯胺衍生物为电子给体光敏染料组装成的电池表现出更好的光电性能。3）在苯、噻吩以及呋喃单元作为共轭桥链的染料分子WD8-10中，基于呋喃为桥链的染料WD10得到了最高光电转换效率6.79%。这是由于呋喃基团的电子密度大，从而导致了相应染料的吸收性能更好。加入CDCA后染料敏化的器件性能反而下降了，说明这类星射状的染料结构能够有效抑制染料在TiO2薄膜上的聚集。4）光敏染料CD-7在THF和DMF溶剂中表现出不同的吸收特性，表明CD-7与不同的溶剂分子之间有着不同的相互作用。对TiO2膜进行敏化时，这种作用会影响光敏染料在TiO2表面的吸附结构和吸附密度进而影响得到的DSSC器件的性能。5）设计了一种新颖的三层ZnO光阳极，以ZnO纳米线作为底层，较小尺寸的ZnO微球作为中间层，上层采用较大尺寸的ZnO微球。这种新颖的三层光阳极结构，不但可以提高光生电子的传输率，又提高了电池光阳极的光散射能力及对染料的吸附量。