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%。     

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%。     

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。     

N,N-二苯基取代的芳炔化合物的合成及光伏性能

以简单原料出发,通过Sonogashira偶联反应和三甲基硅基(TMS)的保护与脱保护,合成了一系列N,N-二苯基取代的芳炔化合物SC1～SC5.这类化合物是以N,N-二苯基为电子给体,羧基为电子受体,芳香炔体系为共轭桥的染料.将化合物SC5吸附到TiO2膜上制备成有机染料敏化太阳能电池,在AM 1.5,100 mW/cm2的模拟太阳光下,电池的光电转换效率(IPCE)值最大达到64%,而且在350～580 nm的范围内都可达到50%以上.电池的短路电流密度Jsc=8.0mW/cm2,开路电压Voc=0.75 V,填充因子为FF=0.70,总光电转换效率η=4.2%.     

含二级供电基团的三苯胺类光敏染料合成及太阳能电池中的应用

以N,N-二甲基苯胺作为二级给电子单元, 合成两种具有不同长度共轭链的三苯胺类光敏染料XS19和XS22. 研究了它们的光物理与光电化学性质, 并将它们用作TiO₂纳米晶电极的光敏化剂引入太阳电池, 结果表明, N,N-二甲基苯胺的引入能够抑制染料敏化太阳能电池中的电子复合, 提高电池的光电转换效率. XS22表现出更好的光伏性能, 在AM1.5 (100 mW•cm^－2)的光强下, XS22敏化电池的开路电压(V_OC)为685 mV, 短路电流密度(J_SC)为9.6 mA•cm^－2, 填充因子(FF)为0.72, 总光电转换效率为4.7%.     

基于不同取代基的噻吩-三苯胺染料敏化剂的合成与光伏性能

本文合成了含3种不同取代基的噻吩-三苯胺染料敏化剂(H1,H2和H3),并将其应用于二氧化钛纳米晶染料敏化太阳能电池.系统地研究了3种染料的光物理、电化学和光伏性能.基于H1的染料敏化太阳能电池获得了9.10%的光电转换效率(Voc=0.72V,Jsc=18.03mAcm-2,FF=0.70).     

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%.     

新型含有多氰基受体单元的近红外敏化染料的合成及其光伏性能研究

本文分别以三苯胺、二甲基苯胺和吲哚啉单元为电子给体,设计并合成了3个新型D-π-A体系近红外敏化染料分子5C-1、5C-2和5C-3,并对其结构进行了表征,详细研究了在溶液中以及吸附到电极上的吸收光谱.该系列敏化染料在550—850 nm之间具有较强的吸收,尤其5C-3的吸收边带已达到954 nm.当该系列敏化染料吸附到TiO₂上时,吸收边带大幅红移,显示有利于染料捕获长波段区域的太阳光.通过循环伏安法,测定了染料的电化学性质,发现该系列敏化染料的最低未占有轨道(LUMO)能级与TiO₂导带并不匹配,因此选用导带能级更正的SnO₂作为阳极半导体材料进一步测试了该系列染料的光电性能,以发展具有优良性能的长波段响应的近红外敏化剂.     

Ni3S4@C/CNFs对电极膜厚对染料敏化太阳能电池光伏性能的影响

采用静电纺丝技术和水热法合成了负载于碳纳米纤维表面的碳包覆Ni3S4纳米颗粒(Ni3S4@C/CNFs),利用喷涂法制备膜厚分别为2、4、6、7、8、9、10μm的Ni3S4@C/CNFs对电极。应用到染料敏化太阳能电池(DSSCs)中,探究Ni3S4@C/CNFs对电极的膜厚对于DSSCs光伏性能的影响。最终得出当Ni3S4@C/CNFs对电极膜厚为9μm时,DSSCs可以获得最高的光电转换效率(PCE)8.45%,也证明了对电极存在一个最佳膜厚,使DSSCs获得最优的光伏性能。     

基于苯并噻二唑的菁染料敏化剂的合成与光伏性能研究

两个新型的基于三苯胺苯并噻二唑的菁染料(I～II)通过含有该单元的苯并[e]吲哚啉乙醛和1,1,2-三甲基-3-丁 基-5-羧基-3H-吲哚碘盐的Knoevenagel缩合反应合成, 其结构用核磁和高分辨质谱进行了表征|对两个菁染料敏化剂的光物理、电化学性能和太阳能电池的光伏性能进行了系统研究. 在AM1.5G标准光源下, 两个染料的最高入射单色光子-电子转化效率值(IPCE值)均超过57%, 其光电转换效率分别为2.59%和3.28%.     

Synthesis and Characterization of Two New Organic Dyes for Dye-Sensitized Solar Cells

In the present study, two new organic dyes based on indigo were prepared and used as sensitizers in dye-sensitized solar cells. To this end, indoxyl was utilized as the electron-donor and acrylic acid and cyanoacrylic acid were used as the electron-acceptor anchoring groups. These dyes were purified and characterized by analytical techniques. Spectrophotometric evaluations of the prepared dyes in solution and on a nano-anatase-TiO₂ substrate were investigated. Additionally, oxidation potential measurements were also carried out. Finally, dye-sensitized solar cells were fabricated to determine the photovoltaic behavior and conversion efficiency of each dye.

[Supplementary materials are available for this article. Go to the publisher's online edition of Synthetic Communications® for the following free supplemental resource(s): Full experimental and spectral details.]     

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.     

Synthesis and Computational Characterization of Organic UV-Dyes for Cosensitization of Transparent Dye-Sensitized Solar Cells

The fabrication of colorless and see-through dye-sensitized solar cells (DSCs) requires the photosensitizers to have little or no absorption in the visible light region of the solar spectrum. However, a trade-off between transparency and power conversion efficiency (PCE) has to be tackled, since most transparent DSCs are showing low PCE when compared to colorful and opaque DSCs. One strategy to increase PCE is applying two cosensitizers with selective conversion of the UV and NIR radiation, therefore, the non-visible part only is absorbed. In this study, we report synthesis of novel five UV-selective absorbers, based on diimide and Schiff bases incorporating carboxyl and pyridyl anchoring groups. A systematic computational investigation using density functional theory (DFT) and time-dependent DFT approaches was employed to evaluate their prospect of application in transparent DSCs. Experimental UV/Vis absorption spectra showed that all dyes exhibit an absorption band covering the mid/near-UV region of solar spectrum, with a bathochromic shift and a hyperchromic shifts for Py-1 dye. Computational results showed that the studied dyes satisfied the basic photophysical and energetics requirements of operating DSC as well as the stability and thermodynamical spontaneity of adsorption onto surface of TiO₂. However, results revealed outperformance of the thienothiophene core-containing Py-1 UV-dye, owing to its advantageous structural attributes, improved conjugation, intense emission, large Stokes shift and maximum charge transferred to the anchor. Chemical compatibility of Py-1 dye was then theoretically investigated as a potential cosensitizer of a reference VG20-C2 NIR-dye. By the judicious selection of pyridyl anchor-based UV-absorber (Py-1) and carboxyl anchor-based NIR-absorber (VG20), the advantage of the optical complementarity and selectivity of different TiO₂-adsorption-site (Lewis- and Bronsted-acidic) can be achieved. An improved overall PCE is estimated accordingly.     

基于p型光电极的染料敏化太阳能电池研究进展

基于p型光电极的染料敏化太阳能电池是一种受到广泛关注的新型太阳能电池。根据电池的结构不同可以将其分为p型和p-n叠层型染料敏化太阳能电池。其中p-n型叠层染料敏化太阳能电池的理论光电效率可以达到43%,高于传统的基于n型TiO_2光阳极的染料敏化太阳能电池理论效率(30%),引起了科学界的高度关注。本文将总结基于p型光电极染料敏化太阳能电池(p型和p-n型叠层器件)的研究成果,重点介绍用于p型和p-n型叠层染料敏化太阳能电池的电极材料,染料及电解质的研究进展;同时总结目前该类电池发展中亟需解决的问题以及进一步提高器件效率的途径。     

基于p型光电极的染料敏化太阳能电池研究进展

基于p型光电极的染料敏化太阳能电池是一种受到广泛关注的新型太阳能电池。根据电池的结构不同可以将其分为p型和p-n叠层型染料敏化太阳能电池。其中p-n型叠层染料敏化太阳能电池的理论光电效率可以达到43%,高于传统的基于n型TiO₂光阳极的染料敏化太阳能电池理论效率（30%）,引起了科学界的高度关注。本文将总结基于p型光电极染料敏化太阳能电池（p型和p-n型叠层器件）的研究成果,重点介绍用于p型和p-n型叠层染料敏化太阳能电池的电极材料,染料及电解质的研究进展;同时总结目前该类电池发展中亟需解决的问题以及进一步提高器件效率的途径。     

Adamantyl Side Chains as Anti-Aggregating Moieties in Dyes for Dye-Sensitized Solar Cells

Designing and evaluating novel dye concepts is crucial for the development of the field of dye-sensitized solar cells (DSSCs). In our recent report, the novel concept of tethering the anti-aggregation additive chenodeoxycholic acid (CDCA) to dyes for DSSC was introduced. Based on the performance improvements seen for this modification, the aim of this study is to see if a simplified anti-aggregation unit could achieve similar results. The following study reports the synthesis and photovoltaic characterization of two novel dyes decorated with the steric ethyladamantyl moiety on the π-spacer, and on the triarylamine donor. This modification is demonstrated to be successful in increasing the photovoltages in devices employing copper-based electrolytes compared to the non-modified reference dye. The best photovoltaic performance is achieved by a device prepared with the adamantyl decorated donor dye and CDCA, this device achieves a power conversion efficiency of 6.1 % (Short-circuit current=8.3 mA cm⁻², Open-circuit voltage=1054 mV, Fill factor=0.69). The improved photovoltaic performance seen for the adamantyl decorated donor demonstrate the potential of ethyladamantyl side chains as a tool to ensure surface protection of TiO₂.     

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。     

金属有机框架在染料敏化太阳能电池中的应用

为了获得高效率的染料敏化太阳能电池,其光阳极应该具有大的比表面积,以吸附足量的染料,获得很强的光捕获能力.从这个角度而言,将具有很大比表面积的金属有机框架材料引入到染料敏化太阳能电池的体系中,无疑是一种有益的探索.本文简介了金属有机框架材料在光伏领域的应用,并重点介绍了我们课题组在利用金属有机框架材料方面进行的一些探索,包括光阳极薄膜的处理、利用金属有机框架材料作为前驱体制备光阳极材料和光散射层.最后,本文对金属有机框架材料应用于染料敏化太阳能电池中的局限性及前景做了简要的展望.