基于纯有机染料及静电喷雾法的染料敏化太阳能电池研究

Currently, dyes of heavy metal complexes are the main stream photo sensitizers in dye sensitized solar cell (DSSC) due to their high device efficiency. However, metals inside the dyes for DSSC are rare elements in nature, thus material supply is extremely insufficient for mass production. Metal-free organic dyes have many merits, such as abundant in nature, tunable in molecular structure, easy purification and low environmental pollution, leading to promising application. At present, the performance of DSSCs based on metal-free organic dyes can't meet the requrement for commercialization, demanding further development both in aspects of efficiency and stability. This project aims at improving the performance of pure organic dyes based DSSC by new dye design as well as optimizing the fabrication procedure of electrospray for photoanode TiO2. We plan to introduce either high planar group of julolidine or highly space steric function group of isoindole derivatives into the donor part of dye, which have not been studied as DSSC dyes yet. Firstly, we will focus on design, synthesis, characterization of new metal free dyes. Then, by studying the relationship between molecular structure and material property, as well as device performance and device physics, DSSC devices with high efficiency and good stability are expected to achieve. In addition, we will further optimized electrospray fabrication of photoanode TiO2, disclosing device physics related to electrospray. Finally, electrospray of dyes as well as dye-grafted nano TiO will be tried in the fabrication of DSSC device.

含重金属的配合物染料虽然是目前染料敏化太阳能电池（DSSC）中的主流光敏剂，但是该类材料中的金属资源匮乏，材料制备成本昂贵，不利于大批量生产。不含金属的纯有机染料由于来源丰富、分子结构多样化、易提纯和对环境污染小等优点具有很大的潜在应用价值。但目前基于纯有机染料的DSSC性能还不能满足产业化的需要，亟待研发。本项目拟引入高度平面化的julolidine和高度空间立构的六苯基异吲哚基团作为给体，发展新型纯有机DSSC光敏材料。同时，基于静电喷雾法制备DSSC器件。项目拟展开对该类材料的设计、合成、表征以及光伏器件方面的研究。在研究材料构象与性能关系的同时，发展效率高、稳定性好、生产工艺简单、环境友好的光伏器件，形成染料敏化太阳能电池领域的知识产权。另一方面，项目拟针对染料以及纳米TiO2复合染料的静电喷雾制备进行探索研究。

本课题基于新型纯有机染料和静电喷雾法对染料敏化太阳能电池（DSSC）进行研究。研究内容主要分为两方面：一是材料的设计合成及其DSSC应用；二是DSSC器件物理研究，包括光阳极、电解液和对电极。通过项目研究，发表论文20篇，授权及公开专利2项，培养博士研究生1人，硕士研究生10人，圆满完成课题任务。具体包括：.第一，.我们获得了具有知识产权的、效率与世界水平相当的一系列纯有机染料，该材料作有很好的DSSC实际应用前景；同时通过3个系列的新型纯有机染料的设计、合成与性能研究，揭示了材料的构效关系，及其对DSSC性能的影响，为新型纯有机材料的设计开发提供了大量的依据和指导。.第二，.在静电喷雾制备光阳极方面，通过研究和阐述制备条件与光阳极性质关系，为后续研究者提供了有价值的参考；通过石墨烯在光阳极中的引入，拓展了光阳极的同时也为后续研究者提供了进一步改进光阳极提供了策略。.第三，.在对电极方面，我们提出的非常简单制备不含昂贵金属Pt的对电极的方法，有非常广阔的应用价值，同时为后续研究者拓展了对电极研究的思路。.第四，.第四，在准固态DSSC方面，我们引入高沸点的离子液体作为电解质，研究了器件机理，为进一步这方面的研究提供参考。