含氮刚性杂环取代香豆素类染料敏化剂的合成及光电性能

以含氮刚性杂环取代的香豆素为电子给体,联苯基或苯基噻吩为π桥,氰基丙酸为电子受体,设计合成了两个新型含氮刚性杂环取代香豆素类染料敏化剂,并从光谱性能、电荷重组几率以及光伏性能方面与相应二乙氨基取代香豆素类染料敏化剂进行了比较.结果表明,与相应二乙氨基取代香豆素类染料敏化剂相比,含氮刚性杂环的引入,使得吸收光谱响应范围加宽,光捕获率提高.当以苯基噻吩为π桥时,含氮刚性杂环的存在,明显削弱了染料分子的平面性,降低了电荷重组几率,提高了开路电压.因此在四种香豆素染料中,以苯基噻吩为π桥的含氮刚性杂环取代的香豆素染料敏化剂具有较高的短路电流密度、最优的开路电压和填充因子从而表现出最佳的光电转换效率3.89%.     

香豆素型染料敏化剂的合成及光电性能研究

选择带有供电子基团的香豆素作为给体,噻吩基作为桥键,氰乙酸为受体,合成了两种新的具有"D-π-A"结构的香豆素型染料敏化剂,对其光谱性能、电化学性能以及光电转换性能进行了测试.结果表明,两者分子轨道能级与TiO2电极的导带以及电解质I2/I-的氧化还原电位相匹配,保证了电池电流循环的顺利产生.与甲氧基取代的染料敏化剂2-氰基-3-[5-(7-甲氧基-2-羰基-2H-苯并吡喃-3-基)噻吩-2-基]丙烯酸(IIIb)相比,香豆素环7位上二乙氨基取代的染料敏化剂2-氰基-3-[5-(7-二乙胺基-2-羰基-2H-苯并吡喃-3-基)噻吩-2-基]丙烯酸(IIIa)分子内电荷转移吸收较强,紫外吸收光谱红移.IIIa组装得到的染料敏化太阳能电池暗电流降低,具有较高的单色光转化效率IPCE(incident photo-to-currentconversion efficient)和短路电流Jsc,从而具有较高的光电转换效率(Jsc=8.68 mA/cm2,Voc=574 mV,η=3.52%).     

辛氧基苯基取代的吡啶并[3,4-b]吡嗪染料的合成与光伏性能研究

为了进一步提高电池的开路电压, 把吡啶并吡嗪核上的甲氧基苯换成辛氧基苯, 设计合成了一系列以三苯胺为给体、辛氧基苯取代的吡啶并[3,4-b]吡嗪为辅助受体、噻吩(呋喃、苯)为π-链、氰基乙酸为受体的新型染料敏化剂(OPP-I～Ⅲ). 对OPP-I～Ⅲ的光电化学性质、器件性能以及电荷转移动力学等进行了系统的测试及研究. 实验结果表明, 用辛氧基取代甲氧基, 能有效减少染料在TiO₂表面的聚集, 同时能阻止电解质和TiO₂导带的接触, 抑制电荷复合, 提高了开路电压. 最后, 在AM 1.5(100 mW·cm^-2)光强条件下, OPP-I敏化的电池最大光电转换效率为 6.57%(短路电流为 11.7 mA·cm^-2, 开路电压为 717 mV, 填充因子为 0.78).     

2种三聚茚基三芳胺染料的合成及其光伏性能

以三聚茚基三芳胺为给电子单元,以绕单宁-3-乙酸为受电子单元,设计合成了2种三聚茚基三芳胺染料六乙基三聚茚胺饶丹宁乙酸(MXD8)和六乙基三聚茚胺环氧噻吩饶丹宁乙酸(MXD9)。 光学测试表明,该类染料光谱响应范围宽,摩尔吸光系数高。 结合2种染料的紫外-可见光谱和循环伏安曲线,确定了染料的电子基态和激发态能级位置。 结果表明,2种染料的能级位置符合染料敏化太阳能电池的要求。 将它们用作染料敏化太阳能电池中的光敏化剂,在AM1.5-100×10-3 W/cm2的光强下,MXD8敏化电池的开路电压(VOC)为614 mV,短路电流密度(JSC)为5.76×10-3 A/cm2,填充因子(FF)为0.66,总光电转换效率为2.33%。 尽管MXD9引入3,4乙撑二氧噻吩作为共轭桥,其光电转换效率却较MXD8低（1.27%）。 阻抗测试表明,MXD9光电转换效率较低的原因主要是电子更容易复合。 该结果表明,电子复合可能与分子共轭体系增大导致极化率增加有关。     

2,6-位取代的BODIPY染料敏化剂的合成及其性能

设计合成了3种新型基于氟化硼络合二吡咯甲川(BODIPY)衍生物的D-π-A型光敏染料CB1~CB3,其结构为:BODIPY核为桥联基团、N-苯基咔唑以不同位点连接BODIPY的2-位作为电子给体单元、氰乙酸连接于BODIPY的6-位作为电子受体单元。运用1H,13C NMR以及MALDI-TOF-MS对所合成的染料CB1~CB3进行了结构表征和确证。对3种染料CB1~CB3进行了UV-Vis和荧光等光物理特性、电化学行为、光伏性能研究,并通过DFT理论计算深入研究了其分子的几何结构与性能之间的关系。3种染料的吸收光谱主要位于420~600 nm波段,LUMO能级在3.7 eV左右,HOMO能级在5.2 eV左右。N-苯基咔唑2-位与BODIPY相连的CB2,因更平整的分子结构和更为适合的共轭长度,具有更为优良的光谱吸收和分子内电荷迁移性能,因而表现出良好的光伏性能:在AM1.5(100 m W·cm-2)的光强下,CB2敏化电池的开路电压(Voc)为550 m V,电流密度(Jsc)为3.71 m A·cm-2,填充因子(FF)为0.73,总光电转换效率(PCE)为1.49%。     

以咔唑为π-桥的D-π-A型有机染料分子的合成与性能

本文分别以三苯胺、N-苯基咔唑和吲哚[3,2,1-jk]咔唑为给体,选择3,6-和2,7-位连接的咔唑为π-桥与氰基乙酸受体键连合成了两个系列共6个D-π-A型染料分子,研究了以它们为光敏剂的染料敏化太阳能电池器件的光伏性能.通过对比发现,给体单元相同的染料分子,以2,7-位连接的咔唑为π-桥时其共轭骨架的π-电子离域比3,6-位连接更好,因而其分子内电荷转移吸收明显变宽并增强,表现出更好的分子捕光能力,相应电池器件的短路电流密度(J_(sc))更大,展示了更高的光电转换效率;当π-桥相同时,给体单元由三苯胺依次变换为N-苯基咔唑和吲哚[3,2,1-jk]咔唑后,伴随苯环之间的直接键连其分子共平面性增强,氮原子上孤对电子参与共轭的程度增大,这虽有利于给体单元共轭骨架的π-电子离域,但会导致氮原子孤对电子参与的分子内推拉电子效应减弱,影响体系对太阳光的吸收利用,同时刚性共平面骨架加剧了分子间π-π堆积,引起染料聚集而加速载流子复合,从而影响其电池器件的开路电压(V_(oc))和J_(sc),不利于光伏性能的提升.     

2,6-位取代的BODIPY染料敏化剂的合成及其性能

设计合成了3种新型基于氟化硼络合二吡咯甲川(BODIPY)衍生物的D-π-A型光敏染料CB1~3,其结构为:BODIPY核为桥联基团、N-苯基咔唑以不同位点连接BODIPY的2-位作为电子给体单元、氰乙酸连接于BODIPY的6-位作为电子受体单元。运用1H,13C NMR以及MALDI-TOF-MS对所合成的染料CB1-CB3进行了结构表征和确证。对3种染料CB1~CB3进行了UV-Vis和荧光等光物理特性、电化学行为、光伏性能研究,并通过DFT理论计算深入研究了其分子的几何结构与性能之间的关系。3种染料的吸收光谱主要位于420~600 nm 波段,LUMO能级在3.7 eV左右,HOMO能级在5.2 eV左右。N-苯基咔唑2-位与BODIPY相连的CB2,因更平整的分子结构和更为适合的共轭长度,具有更为优良的光谱吸收和分子内电荷迁移性能,因而表现出良好的光伏性能:在AM1.5(100 mW·cm^-2)的光强下,CB2敏化电池的开路电压(V_oc)为550 mV,电流密度(J_sc)为3.71 mA· cm^-2,填充因子(FF)为0.73,总光电转换效率(PCE)为1.49%。     

基于苯甲酸受体的咔唑染料敏化剂的合成和光电性能

选择N-正丁基咔唑作为电子给体,芴酮作为桥键,苯甲酸作为受体,通过桥键芴酮与给体和受体连接位置的改变,设计合成了两个咔唑染料4-(6-(N-正丁基咔唑-3-基)-9-氧-9H-芴-3-基)苯甲酸(HXL-3W)和4-(7-(N-正丁基咔唑-3-基)-9-氧-9H-芴-2-基)苯甲酸(HXL-4Z).对咔唑染料的光谱性能、电化学性能和光电转换性能进行了研究,并运用密度泛函理论(DFT)方法对其几何结构和紫外-可见光谱进行了优化计算.结果表明, HXL-4Z的吸收光谱呈现两个明显的π→π^*跃迁吸收峰和一个较小的对应于分子内电荷转移的吸收峰,而HXL-3W的吸收光谱则仅呈现一个π→π^*跃迁吸收峰,且摩尔吸光系数远小于HXL-4Z.可能是HXL-3W分子结构中给体和受体距离较近,张力较大,导致较差的分子平面性和分子内电荷转移.因而HXL-4Z的光吸收能力和电子注入效率较优,从而具有较好的光电转换效率(2.03%) (短路电流(J_SC) = 3.88 mA·cm^-2,开路电压(V_OC) = 700 mV,填充因子(FF) = 0.75).     

四硫富瓦烯作为染料敏化太阳能电池有机染料电子给体的理论研究(英文)

为了研究四硫富瓦烯(TTF)基团对有机染料敏化剂光电性能的影响,以咔唑染料Dye 1为原型,引入TTF基团作为电子给体,设计了咔唑染料Dye 2.采用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)分别计算模拟了纯染料分子和吸附团簇(TiO2)9后的形貌、分子轨道能级以及紫外-可见吸收光谱,采用周期性密度泛函理论计算模拟染料分子在二氧化钛(101)面吸附的表面形貌.结果发现:在有机染料中引入TTF基团有助于有机染料敏化剂在二氧化钛表面的抗团聚作用和分子内的电荷转移;最为重要的是,TTF基团的强给电子能力极大地增强了有机染料敏化剂的光捕获能力.所有的计算结果表明,TTF基团是一种非常有潜力改善染料敏化剂光电性能的给电子基团.     

新型染料敏化剂三苯基咪唑丙烯酸的合成及其光电性能

以苯偶姻、苯甲醛和丙二酸为原料经3步反应合成了新型三苯基咪唑系染料敏化剂(TPIA),其结构经1H NMR,13C NMR,IR和MS表征,并分析了咪唑的环化反应机理。将TPIA用于染料敏化太阳能电池染料敏化剂,表明TPIA具有良好的光电转换性能,TPIA的乙醇饱和溶液吸附敏化光阳极24 h的DSSC光电转换效率为1.90%,填充因子为74.5%。     

四硫富瓦烯作为染料敏化太阳能电池有机染料电子给体的理论研究

为了研究四硫富瓦烯(TTF)基团对有机染料敏化剂光电性能的影响,以咔唑染料Dye 1 为原型,引入TTF基团作为电子给体,设计了咔唑染料Dye 2. 采用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)分别计算模拟了纯染料分子和吸附团簇(TiO₂)₉后的形貌、分子轨道能级以及紫外-可见吸收光谱,采用周期性密度泛函理论计算模拟染料分子在二氧化钛(101)面吸附的表面形貌. 结果发现：在有机染料中引入TTF基团有助于有机染料敏化剂在二氧化钛表面的抗团聚作用和分子内的电荷转移;最为重要的是,TTF 基团的强给电子能力极大地增强了有机染料敏化剂的光捕获能力. 所有的计算结果表明,TTF基团是一种非常有潜力改善染料敏化剂光电性能的给电子基团.     

双（N—苯基—3—咔唑基）甲苯碘盐的合成

双（Ｎ┐苯基┐３┐咔唑基）甲苯碘盐的合成李笃信＊郭自强兰卫东（山西大学化学系太原０３０００６）关键词苯基咔唑甲苯碘盐，有机光电导体，敏化剂，合成１９９７－１０－２７收稿，１９９８－０３－１３修回山西省自然科学基金资助项目有机光电导体简称ＯＰＣ，因其具...     

基于侧链为烷基硫苯的萘二酰亚胺单元的新型聚合物受体的合成及其光电性能

以N-（4-巯基苯基）乙酰胺、7-（溴甲基）十五烷和二溴萘二羧酸酐为原料合成了侧链为烷基硫苯的萘二酰亚胺（NDI）衍生物,将其作为受体单元,硒吩衍生物为给体单元,合成了基于NDI的新型聚合物受体(PNDI PSHD),同时合成了基于苯并二噻吩的D-A型共聚物PBDT(T) TPD作为给体材料,将聚合物给体、受体混合制备聚合物太阳能器件。聚合物的结构和光电性能经¹H NMR、 GPC、 UV、 CV和荧光发射光谱表征,并测试了器件的光伏性能。结果表明：给受体聚合物均具有较高的相对分子量,在太阳光范围具有强而宽的吸收,同时具有相对较低的最高电子占用轨道（HOMO）和最低电子未占用轨道（LUMO）能级,给受体聚合物混合后引起荧光猝灭,器件的能量转换效率（PCE）达到0.72%。     

染料敏化太阳能电池中的敏化剂

染料敏化太阳能电池（DSSC）是一种新型的太阳能电池。染料敏化剂的性能对DSSC的光电转换效率有重要的影响,要获得高的光电转换效率需要有高效、稳定的染料敏化剂。本文介绍了近年来染料敏化剂的设计合成,并讨论了各种敏化剂的优缺点及发展方向。     

染料敏化太阳电池钌系敏化剂

钌系敏化剂是染料敏化太阳电池（DSSC）研究最早也最成功的敏化剂类型之一,最高光电转换效率已达到11%以上。研究总结钌系敏化剂的结构、谱学性质、电化学性质与其光电转换性能之间的构效关系,对于设计合成新的具有更高性能的敏化剂、推进DSSC的实用化进程具有十分重要的意义。本文综述了钌系敏化剂的研究进展,将这类敏化剂按结构和性质进行分类,讨论了其分子结构、电子结构、谱学性质、电化学性质对其光吸收能力、电子注入效能、电荷传输与复合等因素的影响,并对其光电转换性能进行了详细评述,总结了其结构与光电转换性能之间的构效关系,概括了高效钌系敏化剂的结构特征,为更高效敏化剂的设计合成提供了有价值的参考。     

一种含氧供电基团的染料合成及其光伏性能

以对溴苯酚为原料,经碘丁烷的烷基化后,与硼酸三甲酯反应生成对丁氧基苯硼酸.环戊二噻吩经N-溴代丁二酰亚胺(NBS)的溴化和Vilsmeier-Haack反应,再与对丁氧基苯硼酸偶联、氰基乙酸缩合,生成目标化合物环戊二噻吩基光敏染料(L1).该化合物是一种以含氧基团为给体,环戊二噻吩作为共轭桥的有机染料,将其制备成有机染料敏化太阳能电池,在AM 1.5,100 mW/cm2的光强下,电池的单色光的光电转换效率(IPCE)值达到62%,开路电压(Voc)为535mV,短路电流密度(Jsc)为6.4mA·cm-2,填充因子(FF)为0.60,总光电转换效率为2.1%.     

TiO2纳米晶电极上半菁衍生物分子设计中空间位阻效应的研究

设计合成了具有不同空间位阻的吡啶盐类和喹啉盐类半菁染料(E)-N-(4—磺酸 根丙基)-4-[2-4（4-N，N-二乙基氨基苯基）乙烯基]吡啶鎓盐（EPS），（E）-N-(4- 磺酸根丁基）-4-[2-(4-N,N-二乙氨基苯基）乙烯基]吡啶鎓盐（EPS4）和（E） -N-（4-磺酸根丁基）-4-[2-（4-N，N-二乙基氨基苯基）喹啉鎓盐（EQS4），研究了它们 的光物理性质，并将它们用作TiO2纳米晶电极的光敏化剂引入光电化学电池中。 研究发现:对于吡啶类半菁染料而言，无论是以三个亚甲基或是以四个亚甲基来连接 吸附基团RSO3^-和发色团时，单个的EPS和EPS4分子的光电响应行为一致．但是由于 以三个亚甲基来连接时，与EPS4相比，染料EPS的空间位阻相对较小，有利于其在 多孔膜上的吸附，最终结果是染料EPS对TiO2纳米晶电极的敏化作用好于EPS4．以喹啉 环为受电子基团的染料EQS4与同样含有四个亚甲基的以吡啶环为受电 子基团的EPS4相比，单个EQS4分子的光电响应行为虽然好于EPS4分子，但由于 EQS4分子间的空间位阻较大，影响了它在多孔电极上的吸附，致使其敏化的太阳能 电池的总光电转换效率有所下降．     

含苯并噻二唑的二维有机染料的合成与光伏性能研究

通过引入烷基二噻吩苯并噻二唑窄带隙基元到D-π-A有机染料体系中,设计并合成了两种二维结构的有机染料DD2和DH2,系统地研究了以烷基二噻吩苯并噻二唑基元作为侧基或桥联基元对染料敏化剂的光物理性能、电化学性能和光伏性能的影响.含有烷基二噻吩苯并噻二唑基元的这两种染料都具有较宽的吸收光谱.在氙灯光源(100mW?cm-2,AM 1.5 G)下,基于有机染料DH2和DD2的染料敏化太阳能电池的能量转换效率分别为1.67%和3.26%.采用鹅去氧胆酸(CDCA)共吸附剂优化后,染料DH2表现出较好的抗聚集能力,能量转换效率几乎没有变化;而DD2的能量转换效率提高到了5.53%.     

不同受体单元的两个聚合物光伏性质

合成了两个不同受体的共轭聚合物联噻唑-苯并噻二唑-咔唑共聚物(HSD-5);四氟苯-并二噻吩-咔唑共聚物(HSD-7),研究了其热学、光物理和光伏性质.由电化学结果显示两个聚合物的带隙分别为2.16和2.53 e V.用聚合物/[6,6]-苯基-C71-丁酸甲酯(PC71BM)作为活性层构筑了本体异质结聚合物太阳能电池的能量转换效率分别为0.36%和0.73%.同时,研究表明含氟材料由于碳-氟键高度极化改变了聚合物分子间的作用力,对活性层的形貌产生显著影响;多元受体单元间较大的扭转角会降低共轭电子离域程度,不利于分子内因电荷转移对光子的吸收,拓宽了聚合物的能带隙.最后,结合实验结果分析了两种材料制备的器件能量转换效率较低的原因.     

不同受体结构染料共敏化对染料敏化太阳电池性能的影响（英文）

为了拓宽染料敏化太阳电池对太阳光谱的响应范围,提高电池的光电转换效率,将两种含有不同受体结构(绕丹宁-3-乙酸基(RA)和氰基丙烯酸基(CA))的三苯胺染料(TR1和TC1)进行共敏化。TR1染料平伏吸附在TiO_2表面,而TC1染料直立吸附在TiO_2表面。将两种染料按照不同摩尔比共敏化TiO_2后,TC1占据TR1的部分位置,拓展光谱的同时也抑制了电荷复合,电子寿命较TR1敏化的太阳电池长。在TR1与TC1摩尔比为5∶5的共敏剂溶液敏化的共敏电池器件中,短路光电流密度(J_(sc))为11.7 mA/cm~2,开路电压(V_(oc))为704 mV,填充因子(FF)为0.73,光电转换效率(η)为6.03%。该结果明显优于单一染料敏化的电池器件。