高效有机染料的合成及其染料敏化太阳能电池的研究

染料敏化太阳能电池(DSC)具有制造过程简单，生产成本低等优点，是世界范围内围绕新能源和化学材料研究领域中非常活跃、非常重要的研究方向。但其光电转换效率只有１２％，因此如何提高DSC的光电转换效率是决定该类电池实际应用的的重要因素。本项目拟研究开发一类能够提高DSC效率的有机染料。该有机染料同时具有电子给予体、连接官能团和电子接收体。我们拟分别在电子给予体中引入三苯胺，连接体中引入噻吩，电子接收体和固定官能团引入氰化丙烯酸等有效措施，开发新型高效染料，制备高效有机DSC。分别改变在电子给予体、连接体以及电子接收体部分的分子单体，是调节染料分子的HUMO和LUMO的电子分布能级一种有效方法，从而可能从分子层面揭示影响DSC性能的来自染料分子方面的原因，为开发高效、稳定的第三代光伏电池提供理论基础。

本研究课题是高效有机染料的合成及其染料敏化太阳能电池的研究。在3年研究期间，我们针对高效染料分子的设计、合成、及其在染料敏化太阳能电池中的应用进行了研究，取得了以下一些研究成果。1）设计并合成多种新型宽光谱有机卟啉染料。借助给体-受体（D-π-A）等分子结构设计概念，拓宽有机染料的吸收光谱；探索新吸附基团，以吡啶替代传统的羧基吸附基团，增加DSC的开路电压。实现了电池效率>9%，短路电流~17.4mA cm-2的研究目标。研究成果发表在Chemistry-An Asian Journal, DOI: 10.1002/asia.201201136. 2）利用水热法直接生长有序二氧化钛纳米棒阵列，结合高吸光钌染料及孔穴传输材料，制备固态DSC电池，电池效率达到2.9%。和标准纳米颗粒制备的固态电池（~5%）比较，基于纳米棒阵列电极表面的粗糙度低，因而降低了对入射光的捕获率。TiO2纳米棒结构电极表面的电荷复合寿命要比常规纳米颗粒结构的短，从而揭示了纳米棒结构电池的效率低原因。研究成果发表在J. Phys. Chem. C 2012, 116, 3266. 3) 我们仔细选择了两种共吸附剂模型分子，研究固定作用的官能团作用：neohexyl phosphonic acid (NHOOP) 和bis-(3,3-dimethyl-butyl)- phosphinic acid (DINHOP)。表面光电子能谱表明，一个钌配合物染料分子可以被两个DINHOP分子或者三个NHOOP分子取代，TiO2表面吸附的染料分子的噻吩官能团指向电解质方向。通过表面修饰作用，共吸附剂主要影响复合反应过程。添加DINHOP可以提高电池器件的光电转换效率（~10%），而NHOOP在TiO2表面上的强吸附作用却加剧了电荷复合反应过程。研究成果发表在ChemSusChem 2012, 5, 181. 4)我们详细研究了有机氧化还原电对及其水体系电解质对染料敏化异质结界面复合过程的影响，明确了在TiO2表面上不同态密度在电解质中反应机理。首次发现在二硫化物/巯基的氧化还原对体系中，表面态复合占据主要过程，而碘电解质中导带电子对界面复合过程贡献明显。研究成果发表在Energy Environ. Sci., 2012, 5, 9394, J. Phys. Chem. C 2012, 116, 25233.