新型敏化太阳电池染料及其应用

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1、中国科学:化学2012年第42卷第5期:567~590《中国科学》杂志社SCIENTIASINICAChimicawww.scichina.comchem.scichina.comSCIENCECHINAPRESS专题论述庆祝王佛松院士80华诞专刊新型D--A类敏化太阳电池染料及其应用*瞿三寅,花建丽,田禾结构可控先进功能材料及其制备教育部重点实验室;华东理工大学精细化工研究所,上海200237*通讯作者,E-mail:tianhe@ecust.edu.cn收稿日期:2011-09-20;接受日期:2011-10-16;网络版发表日期:2012-03-

2、28doi:10.1007/s11426-012-4517-x摘要功能性有机染料在染料敏化太阳能电池领域具有重要的应用前景,电子给体、π关键词共轭桥和电子受体(D-π-A)结构的染料是其中重要的组成类型.本文主要依据三苯胺和吲染料敏化太阳能电池功能染料哚啉等取代苯胺为电子给体染料的结构设计,并结合本课题组的相关工作,综述了2008三苯胺年以来此类D-π-A光敏染料的光电转换性能的研究进展.吲哚啉1引言电基片、多孔纳米晶二氧化钛薄膜、染料敏化剂、电解质溶液或固态的空穴传输体和对电极5个部分组进入飞速发展的21世纪,能源危机和环境污染成.在染料敏化电池中,入

3、射光照射到电极上时,吸已成为亟待解决的严重问题.太阳能作为一种洁净附在电极表面的染料分子中的电子受激跃迁至激发可再生能源,其开发和利用越来越受到人们的重视.态,然后注入到二氧化钛导带,此时染料分子自身转第一代的单晶硅电池是目前光电转化效率最高的太变为氧化态.注入到二氧化钛导带的电子富集到导阳能电池,技术也最为成熟,实验室最高光电转换效电基片上,并通过外电路流向对电极,形成电流.处率为25.0%,规模化生产最高光电转换效率为22.9%,于氧化态的染料分子则通过电解质溶液中的电子给在大规模应用和工业生产中占据主导地位.但是单体,自身恢复为还原态,使染料分子得

4、到再生.被氧晶硅太阳能电池的制备工艺条件苛刻,并且制造成化的电子给体扩散至对电极,在电极表面被还原,从本过高.第二代太阳能电池,例如多晶硅,碲化镉而完成一个光电化学反应循环.(CdTe)、铜铟镓硒(CuInGaSe)薄膜太阳能电池等,具电池的光电转换效率主要由短路光电流密度有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点,但是其所(Jsc)、开路电压(Voc)和填充因子(ff)决定.公式如下:用的材料中大多有毒,且有的是稀有元素,其发展已JVffscoc受到很大限制.染料敏化太阳能电池(dyesensitizedPinsolarcells,简称DSCs),作为第

5、三代太阳能电池体从公式中我们不难看出,增大短路光电流密度[112]系已受到越来越多的关注,其具有以下优势:(Jsc)有助于提高电池的光电转换效率.而提高短路电(1)生产成本低廉,制备工艺简单,投资成本大大低流的最关键因素是增加染料对太阳光的捕获效率,于传统的光伏技术;(2)敏化剂结构易于设计和调节,即拓宽染料在可见光区和近红外区的吸收光谱范围,可以设计成不同颜色和透明度的电池,增加产品的增大染料的摩尔消光系数.美观度和趣味性;(3)材料来源丰富,可以进行大规开路电压的计算公式如下:模生产.EkCBTnEredoxVln()ocDSCs的结构如图1

6、所示,一般由透明的FTO导qqNCBq瞿三寅等:新型D--A类敏化太阳电池染料及其应用图1染料敏化太阳能电池结构上式中ECB是TiO2的导带,n是TiO2中的电子体有三苯胺、吲哚啉,二甲基芴取代苯胺和吩噻嗪等,数,NCB是有效电子云密度,Eredox是氧化还原电对的这些给体单元对染料吸收光谱和分子能级都具有调HOMO的轨道能级,q是单位电荷量.从公式可以知节作用.常用的π共轭桥有甲川链、噻吩、呋喃、吡道,开路电压由TiO2的费米能级和氧化还原电对的咯和苯等.分子受体基团最常用的是含羧基基团,如HOMO能级的带隙决定,如果提高TiO2的费米能级氰基乙酸、

7、绕单宁酸等.染料可通过羧基与TiO2相连.或是降低氧化还原电对的HOMO能级都能提高电对于敏化材料的设计和合成主要集中在不断拓宽其池的开路电压.TiO2中的电子数则是由注入二氧化吸收光谱范围、提高电荷迁移率以及材料的稳定性钛中的电子和部分电荷回传的电子数共同决定.因上.此,提高电子的注入效率和减小暗电流都可以提高近几年研究最为广泛的是以三苯胺和吲哚啉等电池的开路电压,从而最终提高电池的光电转换效为电子给体设计的敏化染料,我们课题组曾总结过率[13].[15]早年研究的以三苯胺为电子给体的敏化染料.而染料敏化剂在电池中吸收太阳光并引发最初的本文将依据上述不

8、同的电子给体,对2008年来最新电子转移反应,是整个DSCs系统的核心部分,对的