《寬吸收D-π-A型聚合物染料的可控合成與能級調控》是依託中南大學，由潘春躍擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：寬吸收D-π-A型聚合物染料的可控合成與能級調控
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：潘春躍
- 依託單位：中南大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
針對聚合物染料敏化太陽能電池存在的轉換效率偏低的瓶頸問題，以拓寬光譜回響範圍為重點，設計與合成一系列以三苯胺為基本給體單元（D）與不同的共軛單元（π），受體單元（A）組合的新型D-π-A型聚合物染料，通過對D、π、A單元不同的修飾對聚合物分子能級進行調控：首先，改變主鏈結構、柔性、支鏈結構和長度、分子共軛性等，設計系列具有不同分子結構的三苯胺類D-π-A型聚合物梳狀分子；其次，以控制分子量和分子量分布為主要目的，對不同的合成方法和合成條件進行系統研究，實現三苯胺類D-π-A型聚合物的可控合成；再次，較深入的研究三苯胺類D-π-A型聚合物染料分子結構和性質對其在二氧化鈦上吸附量、負載方式、吸脫附過程動力學的影響。同時，研究吸附條件（如吸附溶液、吸附溫度、壓力等）和吸附方式（如共吸附等）對染料分子吸附行為的影響。在此研究基礎上，改進染料分子的吸附過程，提高器件性能。
結題摘要
針對聚合物染料敏化太陽能電池存在的轉換效率偏低的瓶頸問題，以拓寬光譜回響範圍為重點，設計與合成了一系列以三苯胺為基本單元的D-π-A型聚合物染料且得到當時最高染料電池的光電轉換效率為4.4%的PTPACZ。研究結果表明，改變共軛聚合物染料分子上的主鏈給體和側鏈上的π共軛單元是簡單有效地調節染料光電性能的兩種策略。π共軛體系進一步延伸可使整體能量轉換效率提高。給體部分的給電子能力越強，能得到較高的短路電流。基於PAT-03染料的器件得到超過10 mA•cm-2的短路電流密度和4.71%的整體光電轉換效率，展現聚合物染料套用於DSSCs作為敏化劑的巨大潛力。 設計合成了系列具有高聚合度的三苯胺類D-π-A型聚合物染料（聚合度在38-58之間）。通過光物理與電化學等表徵發現，聚合度的提高並不能明顯改善聚合物染料的能級結構，而側鏈上π單元的延長和給電子性的增強可以有效地使染料的吸收光譜紅移，帶隙變窄。通過器件測試發現，高聚合度的染料獲得更高的光電轉換效率，其中，聚合度為58的染料分子光電轉換效率達到4.7%，是目前為止聚合物染料敏化太陽能電池轉換效率的新紀錄。為了有針對性地改善聚合物染料的能級，對大量的常用有機結構單元進行了理論計算，提出了量化結構單元給電子性的新參數DA，為有機染料的能級調控提供參考。 設計合成以氰基乙酸為吸電子單元(A)，三苯胺和2,2’-聯噻吩共聚主鏈為給電子單元(D)的D-A型聚合物染料PPAT-01, PPAT-02和PPAT-03((M_n ) ̅分別為1700, 2800 和3500 g/mol)，與小分子染料比較發現，聚合物染料具有更好的吸附穩定性，基於聚合物染料的DSSC器件長期穩定性遠高於小分子。通過改變有機結構單元的給電子性來調節分子能級從而改善光伏性能，創造性地提出了給電子能力參數DA。從簡單的有機小分子出發，在Gaussian 03平台上，用密度泛函的理論和方法，計算了九大系列分子的前線軌道能級，得到了給電子能力參數DA值和分子的前線軌道分布圖。為進一步建立合適的算法或模型提供了參考依據。
