染料敏化纳米晶太阳能电池中敏化剂的研究进展

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1、·1066·化学通报2010年第12期http://www.hxtb.org染料敏化纳米晶太阳能电池中敏化剂的研究进展*李靖李祥高王世荣(天津大学化工学院天津300072)摘要染料敏化剂是染料敏化纳米晶太阳能电池(DSSC)的重要组成部分，对电池性能有着重要的影响。本文将染料敏化剂分为有机金属配合物和纯有机化合物两大类，综述了这两类敏化剂的研究现状，同时讨论了其结构对光电转化效率的影响机理。关键词染料敏化太阳能电池敏化剂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等首次利用纳米技术将染料敏化太阳能电池(DSSC)的能量转换效率η提高到7.1%。自此，染料敏化纳米晶太阳能电池作为重要的太阳能利用技术之一，得到了广泛而深入的研究，成为新能源领域的前沿课题。光敏染料是DSSC对太阳光的捕获剂，其性能的优劣对DSSC光电转化效率起着重要的作用。目前［2］［3］［4］［4］［5］有机金属配合物染料敏化剂使用最多的是钌的配合物，此外还有铱、钴、铁、铂等的配合物，［2］［6］［7］

4、［8］［9］配体大多使用联吡啶、酞菁和卟啉，其中N3和Z907染料是目前公认效果最好的联吡啶钌类光敏染料(其化学结构见图式1)，其η均大于10%，通常被选为参比染料来比较一种新染料的光电性能。纯有机染料敏化剂的种类繁多，成本较低，吸光系数高，便于进行结构设计。近年来，基于纯有机染［10］［11］料敏化剂的DSSC发展较快，其η已接近于联吡啶钌类光敏染料，主要包括噻吩类、香豆素［12，13］［14］［15］［16］［17］［18］［19］［20］类、吲哚类、三苯胺类、四氢喹啉类、咔唑类、吩噻嗪类、花菁类、部花菁类、半［21］［22］花菁类和方酸类染料。1有机金属配合物染料敏化剂1.1联吡啶钌(R

5、u)类光敏染料联吡啶钌染料在可见光区有明显的金属-配体电荷转移(MLCT)峰，因此被作为染料敏化剂广泛应［23～26］用于DSSC。合理设计联吡啶钌配合物的分子结构能够进一步提高这类染料的各项性能指标。王［27，28］鹏等通过扩展染料Z907非羧基取代联吡啶上的π共轭体系，合成了C103，使MLCT峰发生红移，提高了摩尔消光系数和对可见光的捕获能力，η由9.1%提高到10.4%。在C103的基础上，他们在π-共轭桥部分再引入一个3，4-乙撑二氧噻吩单元，形成C107，η提高到10.7%。基于同样的思想，他们又*联系人，E-mail:lixianggao@hotmail.com天津市自然科学基金

6、重点项目(08JCZDJC16900)资助2010-04-06收稿，2010-06-09接受http://www.hxtb.org化学通报2010年第12期·1067·设计合成了C101和C106，研究了它们的光电性能，都能得到较好的光电流，其中C106最佳，η=11.4%(Am1.5)，这些染料的分子结构也见图式1。图式1N3、Z907、C101、C103、C106和C107的分子结构Scheme1MolecularstructuresofN3、Z907、C101、C103、C106andC107dyes1.2酞菁类光敏染料［6］Nazeeruddin等合成了一种性能优良的酞菁染料PCH00

7、1，分子结构见图式2。此染料的结构特点是3个“推”电子叔丁基的引入，避免了因水溶液引起的染料脱附，减少了表面聚集，增加了DSSC的稳*定性;2个“拉”电子羧基能够使染料通过化学键与TiO2粒子紧密结合，增加了酞菁π分子轨道离域，使LUMO能级降低，从而使LUMO与Ti的3d轨道之间电子耦合增强，促进了光激发过程中的电子转移。此染料结合到纳米晶TiO2电极上后，在450～800nm的波长范围内，入射