染料敏化太阳电池高效敏化剂的研究与开发.pdf

染料敏化太阳电池高效敏化剂的研究与开发曾庆华郭萍马瑞敏崔宏吉前言张宪玺????????????甌??????????—???????????????染料敏化太阳电池????????????跣碊???且恢中滦偷墓獾缁???舻?池，具有制作工艺简单、成本低廉、性能稳定、对环境无污染等优点，是硅材料太阳电池的有力竞争者。自从??年????小组取得重要进展以来???鹗俊⑷毡尽?拇罄?恰⒚拦?⒅泄?刃矶喙?家的科研机构在这方面进行了大量的基础研究工作。经过近?年的实验和理论探索，????研究得到了快速的发展，实际应用呼之欲出，因此投人必要的资源进行???纳钊胙芯亢筒??化开发具有非常重要的意义。在染料敏化太阳电池体系中，敏化剂起到了吸收太阳光并将激发态电子转移到纳米半导体导带的作用，同时产生的氧化态染料又能快速的从电解质?：／??械玫降缱佣?换乖?粱??Ｋ?以，进一步改善敏化剂的性能，提高光电转换效率，延长染料敏化太阳电池的使用寿命，达到实用第三部分化合物半导体电池及新型电池??玖厦艋?绯睾途酃獾绯??某谴笱Щ?Щ?ぱг海?蕉?某????摘要本文研究了染料敏化太阳电池光电转换效率与敏化剂分子、电子结构及谱学性质之间的关联，设计出了系列新型卟啉、酞菁和联吡啶钌敏化剂候选体，分析表明其中有数种设计方案均有希望突破相应类型敏化剂敏化电池光电转换效率的世界纪录。对目前用做标准染料的高效敏化荆?和??的合成路线进行了优化改进，新路线经济、环保，更有利于实现工业化生产。关键词染料敏化太阳电池；敏化荆；分子设计；工业化????．?????????．???籹?????籱???????；?????????·????????????????????????，????????收稿日期：??????基金项目：国家自然科学基金资助项目???????作者简介：张宪玺???一??校?蕉?某侨耍?苯淌冢?兜迹?硌Р┦浚?饕4邮氯玖厦艋??舻绯匮芯俊???????琇?????????，????????，?????．????????琾????????????????????甌??????， ≯?咝?艋?恋姆肿由杓?＼?化的目标，已经成为目前人们研究的焦点问题????联吡啶钌配合物是目前应用最多的一类染料，其中使用效果最佳的为?染料??????料??秃谌玖???????’??缤???涔獾缱?换效率已达到?％以上。虽然联吡啶钌敏化太阳电池的光电转换效率是目前最高的，但是光谱研究结果表明，这类染料在可见光区的长波方向上没有很好的吸收。同时，由于钌在地壳中的含量较低，要达到普及化的使用目标还存在一定的差距。卟啉很早就被用作光敏染料，其物理和化学性质稳定，对太阳光有很高的吸收效率。卟啉敏化太阳电池的最高光电转换效率已达到??％????是光电转换效率为??％的染料分子结构图。目前，虽然卟啉敏化太阳电池的光电转换效率还不及联吡啶钌类，但是其生产成本较低，分子结构易于修饰，在可见光区长波方向上有较好吸收，作为染料敏化剂具有很大的开发潜力。酞菁类染料的物理和化学性质稳定，对太阳光子有很高的吸收效率，自身也表现出很好的半导体性质。在这类分子中引入磺酸基、羧酸基等能与??表面键合的基团后，也可用作敏化染料。近年来一些酞菁敏化太阳电池的研究结果表明，这类电池的光电转换效率最高达到了???！Ｋ淙徽饫嗳玖夏壳暗墓獾缱;恍?驶?远不及联吡啶钌类光敏染料，但是其生产成本较较好吸收，酞菁及其类似物作为染料敏化剂也具有很大的开发潜力。本论文使用量子化学计算方法研究了卟啉、酞菁和联吡啶钌类敏化剂的几何结构和光谱性质与其敏化电池性能之间的关系。在系统地把握分子结构与分子性能构效关系的基础上，设计筛选出具有预期优良性质的新型敏化剂候选体分子。这种方法将为当前染料敏化剂的实验室合成提供重要的参考。理想的染料是获得理想性能染料敏化太阳电池的必要条件。良好的染料敏化剂分子需要满足以下几个条件????????幸籆???籔???籗?一?等锚合基团，能够通过化学键吸附于半导体表面，降低电子转移过程中的能量损失；??芪?站】赡芏嗟奶?艄猓???し⑻?倜?ぃ???．??芗队氚氲继宓即?哪芗镀ヅ洌?有利于染料的激发态电子向半导体转移；??玖系腍??芗队氲缃庵恃趸?乖?电对的电位匹配，有利于电子从电解质转移到染料分子的氧化态，保证染料分子再生；??玖戏肿庸狻⑷任榷ㄐ郧浚?芫??嗄甑?风吹日晒雨淋等自然环境的考验，保持电池的稳定性。大多数有效的敏化剂分子都是由电子供体和电子受体两部分组成。敏化剂分子和半导体二氧化钛之间一般通过受体部分的锚合基团羧基或者磷酸基连接。电子从敏化剂分子的基态跃迁到激发态，然后从激发态注入到半导体的导带中。电子在分子内部从供体的??轨道跃迁到受体∞第十一届中国光伏大会暨展览会会议论文集??·???图??和黑色