V型顺式设计新型偶氮染料的合成、性能及其在太阳能电池的应用研究

Constructing novel high-performance photovoltaic functional dyes is a very challenging yet promising direction for the research and development of third-generation solar cells. In this project, a series of novel V-type cis-azo dyes are designed with a D-A-D structure, in which triarylamine and indoline moieties are employed as the donor (D) and azobenzene moiety is used as the acceptor (A). This proposal will investigate the synthesis and characterization of these azo dyes. Their molecular structures will be related to their molecular orbital energies, photophysical processes together with their photoelectric and charge-transportation properties. The formation mechanism of charge-separated states in these azo dyes will be discussed. The metal ion complexation ability of these V-type cis-azos will be evaluated and a series of azo-metal ion complexes will be prepared as a part of novel azo dyes in this proposal too. The structures, spectroscopic and electrochemical properties will be systematically studied. The influence of metal ions on the molecular orbital energies, photoinduced electron transfer and charge separation processes together with their photoelectric and charge-transportation properties of azo-metal ion complexes will be summarized. The photovoltaic performance will also be carefully analyzed with the solar cells prepared with the above azo dyes to provide a guideline on the design of such high-performance functional molecules. In summary, this project aims to develop novel triarylamine and indoline based azo dyes, elucidate their structure-performance relationship, shed a new light on the design of high-performance photovoltaic functional dyes and build a solid practical and theoretical foundation on the development of novel photoelectric materials.

创制新型高性能有机光电功能染料是第三代太阳能电池领域的一个富有挑战性的重要研究方向。本项目提出了一种新型V型顺式偶氮染料，将以三芳胺和吲哚啉结构为电子给体(D)、以偶氮苯结构为受体(A)构建D-A-D分子结构，对比研究其分子结构与能级分布、光物理过程以及光电性能、载流子传输性能的关系，阐明电荷分离态的形成机制；分析V型顺式偶氮化合物与金属离子的络合性能，制备系列偶氮金属络合染料，系统研究其结构、光谱性能、循环伏安特性等，归纳金属离子对偶氮染料能级、光诱导电子转移过程、电荷分离态寿命以及光电性能、载流子传输性能的影响规律；探索其应用于太阳能电池的潜力。前期的工作预期该系列偶氮染料将具有优异的载流子传输性能、光伏性能等，因此，课题的实施有望发展创制出系列新型偶氮功能染料，阐明构效关系，揭示应用潜力，为进一步研究与设计高性能有机光电功能染料提供新的思路和奠定物质及理论基础。

创制新型高性能有机光电功能染料是第三代太阳能电池领域的一个富有挑战性的重要研究方向。本项目以三芳胺和吲哚啉结构为电子给体(D)、以具有偶氮苯结构为受体(A)，设计合成了新型V型顺式哒嗪衍生物及其金属离子络合物共20个，研究其光谱性能、光物理过程和应用性能等，发表了18篇论文，申请了3项国家发明专利，研究结果表明：1）D-A-D结构哒嗪化合物在光激发下由给体向受体发生快速电子转移过程形成长寿命电荷分离态，光诱导电子转移过程占比高达95%以上。2）分子激发态构型对其光物理过程有很大影响，I型化合物MTPAAZO仅在顺式激发态1cis-MTPAAZO*发生电子转移过程，而(MTPA)2Ab在激发态下都能发生电子转移过程。3）D-A-D结构哒嗪能够通过电荷分离态形成永久极化子，具有双极性传输特性和较低的陷阱态密度，PtCl4或F4TCNQ的引入可以-进一步降低陷阱态密度，提高载流子迁移率1~2个数量级。4） (MTPA)2Ab作为中间层，有效促进了电子与空穴的分离，提升空穴的传输效率，抑制载流子复合，使钙钛矿太阳能器件效率提升25%，并使得稳定性能显著提升。5）研究了D-A-D结构哒嗪化合物与Pt4+/Pt2+/Ir3+/Fe3+离子会发生分子间光诱导连续电子转移，并通过偶氮基团-N=N-与金属离子之间定量形成稳定的配位比为1:1的金属离子络合物，而且(MTPA)2Ab可以作为Pt2+/Pt4+/Ir3+/Fe3+离子的探针分子，具有较好的选择性、抗干扰能力和超灵敏检测能力。6）(MTPA)2Ab与Ir3+形成的配位化合物在250-540 nm都有强的荧光/磷光发射，实现了铱（III）配位化合物的强可见光吸收并发射近红外荧光/磷光，在拓展铱（III）配位化合物的应用方向上有重要意义。所有这些结果为进一步研究与设计高性能有机光电功能染料提供新的思路和奠定物质及理论基础。