基于三苯胺-吲哚[3,2-b]咔唑-富勒烯p-n型染料用于染料敏化太阳能电池的研究

Intramolecular Charge Transfer-based dyes have bring forth great development for dye-sensitized nanocrystalline TiO2 solar cells (DSSCs) due to their high performance in converting solar energy to electricity at a low cost. The judicious structure modulation of dye coated on the surface of titania to inhibit the interfacial charge recombination is one of the research topics in this field based upon this rapid recombination device. In this study, we design and employ novel p-n organic dye based on indolo[3.2-b]carbazole with high holes mobility as p- unit, fullerene(C60) with high electrons mobility as n- unit connected by covalent bonds. The ordered p-n organic dyes should be used for dyes sensitizerd solar cells and the relationship between molecular structure and photoelectric properties will be studied. The mechanism of intramolecular charge transfer,electrons injection to the conduction band of TiO2 , the charge separation, as well as dye regeneration will also be studied in this project.In addition, theoretical quantum calculations will be carried out to study the electronic structure and optical properties of the designed dye.

具有光诱导分子内电荷转移(Intramolecular Charge Transfer,ICT)的纯有机染料是当前染料敏化太阳能电池研究的重要前沿领域，而如何通过精细调控染料结构来有效抑制电荷复合则是目前该研究领域所面临的核心问题。本研究中，我们拟设计新型p-n型染料结构，其中采用高空穴迁移率吲哚咔唑为p端，高电子亲和势富勒烯(C60)为n端，通过共价键形成有序的p-n型分子结构。我们将研究这种化合物的紫外-可见光吸收、光发射以及氧化还原电势等光物理、电化学性质，并研究强供电子基团三苯胺-吲哚[3,2-b]咔唑的引入对富勒烯光吸收、荧光性能的影响。最后作为光敏染料应用于染料敏化太阳能电池中，研究该染料分子内电荷转移机制、电子向TiO2导带注入机理，以及染料分子中各功能基团对电荷分离、染料重生的影响。同时利用密度泛函理论计算，研究吲哚[3,2-b]咔唑基团对C60电子云分布的影响。

染料敏化太阳能电池(DSSCs)具有制备工艺简单、材料廉价、环境友好等优点，受到人们格外关注，是最具应用前景的太阳能电池之一。目前广泛使用的钌多吡啶配合物，是迄今为止效率最高（约12%）的一类光敏染料，但该染料含贵金属钌，成本高、提纯分离繁琐；钌在地壳中含量有限，大量开采会带来严重的环境问题，极大的限制了此类染料产业化应用。D-π-A型染料是由一些具有光诱导分子内电荷转移(Intramolecular Charge Transfer,ICT)性质的纯有机化合物，由电子供体、π共轭体和电子受体组成。电子供体和电子受体分别起到推-拉电子的作用，通过调控各类基团的分子结构可以有效的促进分子内电荷转移，加速电子从染料向半导体TiO2导带注入，改善纯有机染料的光电转换效率。基于对光诱导分子内电荷转移(ICT)的思考，本研究通过将空穴迁移率高(p型)的 吲哚[3,2-b]咔唑和电子迁移率高(n型)基团进行有序组装，设计合成了新型的基于吲哚[3,2-b]咔唑系列的纯有机染料，使用紫外可见吸光光谱、电化学工作站对目标染料的光吸收、电化学性能进行了研究并成功应用于染料敏化太阳能电池中，获得了良好的电池性能：短路电流密度Jsc=9.24mA cm-2；开路电压Voc=0.67V；填充因子FF=0.72；光电转换效率PCE=4.44%，是同等条件下的钌吡啶类染料的70%。我们的研究表明供电子性的吲哚[3,2-b]咔唑基团在染料分子中起到非常重要的作用，增强了染料对太阳光的吸收，有效促进分子内电荷转移，是构建D-D-π-A纯有机染料的优良基团，可替代含贵金属的钌吡啶类染料用于染料敏化太阳能电池，对染料敏化太阳能电池的应用发展具有积极的意义。