《染料敏化太陽能電池中高效染料的設計與分子工程》是依託河北師範大學，由劉博擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：染料敏化太陽能電池中高效染料的設計與分子工程
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：劉博
- 依託單位：河北師範大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
作為新型低成本、高效率太陽能轉換器件，染料敏化太陽能電池已經成為當今太陽能利用領域的研究熱點。本項目擬從Donor-π-Acceptor體系入手，設計併合成新型純有機染料分子，得到多系列新型高效敏化染料：合成具有多重供電子體系的基於D-D-π-A結構的新型吲哚啉染料，通過此敏化染料分子工程研究官能團的改變對敏化染料分子的調控作用，構建出設計一類敏化染料的通用的指導性規律；在單一分子中同時引入多個具有高摩爾消光係數的香豆素基團，提高染料的光捕獲能力，通過染料的分子工程最佳化分子結構，使其在整個可見光區甚至近紅外區域都有較高的光電回響，成為新型寬光譜回響的高效純有機Black dye；基於上述開發的具有自主智慧財產權的多系列新型敏化染料，製備具有長期穩定性的高效率準固態以及全固態染料敏化太陽能電池器件，為國家新能源戰略的實施打下良好的基礎。
結題摘要
純有機敏化染料由於其寬光譜、高吸收以及分子結構可控等優點，日益受到研究人員的關注。本項目設計併合成了多個系列的純有機敏化染料，深入研究了染料分子結構與其光、電化學以及光伏性能之間的構效關係，總結出的規律對今後高效純有機敏化染料分子的設計具有一定的指導意義。 首先採用吲哚啉染料作為母體，將咔唑和芴分別引入，得到兩種具有D-D-π-A 結構的新型純有機敏化染料。發現額外電子給體的引入能夠有效拓寬分子吸收光譜的同時提升其摩爾消光係數，使染料的光捕獲能力大大提高。從而使基於此染料的電池器件的IPCE工作譜隨之拓寬，最終得到較高的短路電流和光電轉換效率。 在上述工作基礎上，將吸電子端的氰基乙酸換為具有更強吸電子能力的繞丹寧-3-乙酸，以期進一步是染料吸收光譜紅移。通過研究發現，當染料吸附到TiO2上之後，其邊帶吸收成功拓寬至950 nm處，相比氰基乙酸作為吸電子端的染料紅移了超過100 nm。但是在光伏性能測試中也發現，基於該染料的電池器件中存在著嚴重的電子複合，最終導致該染料的光電流、光電壓以及轉換效率均不佳，因此在進行分子設計時，不僅要考慮使染料儘可能多的捕獲光子，同時還要考慮捕獲的光子要儘可能高效的轉化並順利注入TiO2進入外電路。 同樣基於最初的工作，雖然染料光電流較高，但是其光電壓很低，仍有較大的提升空間。同時該染料的光穩定性不佳。因此選擇去除分子內的乙烯基團來改善這兩個缺陷。去除乙烯基團後，發現染料的光捕獲能力以及能級變化並不明顯，而將其套用於電池器件後，染料的開路電壓得到了大幅提高，使得光電轉換效率提高至9.49%。更重要的是，柔性的乙烯基去除後，分子的光穩定性有了很大的改進，離子液體電解質製備的電池器件經1000小時快速老化實驗後，光電轉換效率下降幅度僅5%左右。 香豆素類敏化染料的開路電壓普遍不高，因此設計併合成了兩種樹枝狀香豆素染料分子。發現相對於傳統的線形染料，樹枝狀染料製作的電池器件開路電壓有了明顯的提高。進一步研究表明，電荷壽命的提高是開路電壓提高的主要原因，亦即分子構型的改變成功的抑制了電池內部不利的電子複合過程，為染料分子設計提出了新的思路。 此外，本項目還對其他一些染料進行了電池器件的製作以及性能測試，包括全固態電池器件的製作，為今後電池器件性能的最佳化積累的大量的經驗。
