染料敏化納米晶太陽能電池中敏化劑的研究進(jìn)展

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1、·1066·化學(xué)通報(bào)2010年第12期http://www.hxtb.org染料敏化納米晶太陽能電池中敏化劑的研究進(jìn)展*李靖李祥高王世榮(天津大學(xué)化工學(xué)院天津300072)摘要染料敏化劑是染料敏化納米晶太陽能電池(DSSC)的重要組成部分，對(duì)電池性能有著重要的影響。本文將染料敏化劑分為有機(jī)金屬配合物和純有機(jī)化合物兩大類，綜述了這兩類敏化劑的研究現(xiàn)狀，同時(shí)討論了其結(jié)構(gòu)對(duì)光電轉(zhuǎn)化效率的影響機(jī)理。關(guān)鍵詞染料敏化太陽能電池敏化劑SensitizersusedinDye-sensitizedSolarCell*LiJing，LiXianggao，WangShirong(SchoolofChemicalE

2、ngineering，TianjinUniversity，Tianjin300072)AbstractThedyesensitizersplayanimportantroleontheperformanceofdye-sensitizedsolarcell(DSSC).Inthispaper，therecentdevelopmentstatusofdyesensitizersandtheinfluenceoftheirstructuresonthephotovoltaicpropertiesofthecellsarereviewedbasedontheclassificationoforgan

3、icmetalcomplexesandpureorganicdyes.KeywordsDye-sensitized，Solarcell，Sensitizer［1］1991年，Grtzel等首次利用納米技術(shù)將染料敏化太陽能電池(DSSC)的能量轉(zhuǎn)換效率η提高到7.1%。自此，染料敏化納米晶太陽能電池作為重要的太陽能利用技術(shù)之一，得到了廣泛而深入的研究，成為新能源領(lǐng)域的前沿課題。光敏染料是DSSC對(duì)太陽光的捕獲劑，其性能的優(yōu)劣對(duì)DSSC光電轉(zhuǎn)化效率起著重要的作用。目前［2］［3］［4］［4］［5］有機(jī)金屬配合物染料敏化劑使用最多的是釕的配合物，此外還有銥、鈷、鐵、鉑等的配合物，［2］［6］［7］

4、［8］［9］配體大多使用聯(lián)吡啶、酞菁和卟啉，其中N3和Z907染料是目前公認(rèn)效果最好的聯(lián)吡啶釕類光敏染料(其化學(xué)結(jié)構(gòu)見圖式1)，其η均大于10%，通常被選為參比染料來比較一種新染料的光電性能。純有機(jī)染料敏化劑的種類繁多，成本較低，吸光系數(shù)高，便于進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。近年來，基于純有機(jī)染［10］［11］料敏化劑的DSSC發(fā)展較快，其η已接近于聯(lián)吡啶釕類光敏染料，主要包括噻吩類、香豆素［12，13］［14］［15］［16］［17］［18］［19］［20］類、吲哚類、三苯胺類、四氫喹啉類、咔唑類、吩噻嗪類、花菁類、部花菁類、半［21］［22］花菁類和方酸類染料。1有機(jī)金屬配合物染料敏化劑1.1聯(lián)吡啶釕(R

5、u)類光敏染料聯(lián)吡啶釕染料在可見光區(qū)有明顯的金屬-配體電荷轉(zhuǎn)移(MLCT)峰，因此被作為染料敏化劑廣泛應(yīng)［23～26］用于DSSC。合理設(shè)計(jì)聯(lián)吡啶釕配合物的分子結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)一步提高這類染料的各項(xiàng)性能指標(biāo)。王［27，28］鵬等通過擴(kuò)展染料Z907非羧基取代聯(lián)吡啶上的π共軛體系，合成了C103，使MLCT峰發(fā)生紅移，提高了摩爾消光系數(shù)和對(duì)可見光的捕獲能力，η由9.1%提高到10.4%。在C103的基礎(chǔ)上，他們?cè)讦?共軛橋部分再引入一個(gè)3，4-乙撐二氧噻吩單元，形成C107，η提高到10.7%。基于同樣的思想，他們又*聯(lián)系人，E-mail:lixianggao@hotmail.com天津市自然科學(xué)基金

6、重點(diǎn)項(xiàng)目(08JCZDJC16900)資助2010-04-06收稿，2010-06-09接受http://www.hxtb.org化學(xué)通報(bào)2010年第12期·1067·設(shè)計(jì)合成了C101和C106，研究了它們的光電性能，都能得到較好的光電流，其中C106最佳，η=11.4%(Am1.5)，這些染料的分子結(jié)構(gòu)也見圖式1。圖式1N3、Z907、C101、C103、C106和C107的分子結(jié)構(gòu)Scheme1MolecularstructuresofN3、Z907、C101、C103、C106andC107dyes1.2酞菁類光敏染料［6］Nazeeruddin等合成了一種性能優(yōu)良的酞菁染料PCH00

7、1，分子結(jié)構(gòu)見圖式2。此染料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是3個(gè)“推”電子叔丁基的引入，避免了因水溶液引起的染料脫附，減少了表面聚集，增加了DSSC的穩(wěn)*定性;2個(gè)“拉”電子羧基能夠使染料通過化學(xué)鍵與TiO2粒子緊密結(jié)合，增加了酞菁π分子軌道離域，使LUMO能級(jí)降低，從而使LUMO與Ti的3d軌道之間電子耦合增強(qiáng)，促進(jìn)了光激發(fā)過程中的電子轉(zhuǎn)移。此染料結(jié)合到納米晶TiO2電極上后，在450～800nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，入射