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1、新型敏化剂分子在太阳能电池中的应用TakeruBessho,†EijiYoneda,†Jun-HoYum,†MatteoGuglielmi,‡IvanoTavernelli,‡HachiroImai,§UrsulaRothlisberger,‡MohammadK.Nazeeruddin,*,†andMichaelGra¨tzel*,†光子学和界面实验室，计算化学与生物化学实验室，化学科学与工程学院，基础科学学院，瑞士联邦理工学院，CH-1015瑞士洛桑，以及环保材料实验室，材料科学工程，芝浦工业大
2、学工程研究院，3-7-5，丰洲，江东，东京，日本授权日期：2009年1月21日电子邮箱：mdkhaja.nazeeruddin@epfl.ch;michael.graetzel@epfl.ch摘要一种新型的无硫氰环金属钌敏化剂被用于太阳能电池的设计和开发，将其锚定在纳米级Tio2薄膜上，展现出了巨大的单射光光电转换效率，即为83%。在太阳光AM1.5G的照射下，使用液体电解质的太阳能电池的短路光电流密度Jsc=17mA/cm2，开路光电压Voc为800mV，填充因子FF为0.74，与之对应的总体转
3、换效率为10.1%。为了了解环金属钌敏化剂的结构、电子和光学性能，我们使用幂函数理论（DFT）和含时幂函数理论（TDDFT）方法进行了研究。结果表明，HOMO轨道主要位于钌和环金属的配体上，而LUMO轨道位于4-羧酸-4’-羧酸酯-2,2’-联吡啶上。分子轨道的分析证实了实验得出的氧化还原电位，以及TDDFT计算结果与可见光吸收谱带一致。目前的研究结果为新的钌敏化剂提供了设计标准，并帮助培养了对研究新的敏化剂分子有效的与I-/I3-氧化还原电对相互作用的广泛兴趣。引言使用染料敏化太阳能电池（DSC
4、）将太阳光转化为电能，已经成为未来依靠可再生能源大规模电力生产中最有前途的方法之一。这些敏化剂是电池中的关键部件之一，敏化剂吸收太阳辐射，并将其转换为电流。在过去的17年里，经过对数以千计染料的仔细审查，具有硫氰酸配体钌配合物保持明显优势。目前在1.5个标准大气压的申报条件下验证的效率的记录在10.4±0.3%之间。科学界已经做过许多更换硫氰酸配体的尝试，因为从化学稳定性角度来看，络合物中的单齿SCN被认为是最薄弱的部分。然而，迄今为止，这些尝试只取得了有限的成功，不含SCN的配合物的的转换效率远
5、远低于几个百分点。在这里，我们报告的新型无硫氰酸环金属钌配合物敏化剂展现了很好的性能。这种新型的钌配合物代表了一类很有前途的以及大大增强DSC性能并且能吸收全部光色的敏化剂，实验部分测试与分析Carry5和SpexFluorolog112分光光度计记录了光路路径为1cm的石英电池的紫外-可见光谱和荧光光谱。特别是，使用三电极电池和自动实验室体系（PGSTAT30，GPES4.8软件）通过循环伏安法得到电化学数据。工作电极为0.03cm2的玻碳圆盘，辅助电极为铂板，铂丝作为准参比电极。将敏化剂溶解在
6、含有0.1M六氟磷酸四丁基铵（作为支持电解质）的二甲基甲酰胺(DMF)中。测量后，加入二茂铁作为内部参考用于校准。核磁共振谱（1H和13CNMR谱）采用Bruker200MHz核磁共振仪测得，以PPM/TMS为化学位移标准物质。2-（2,4-二氟苯基）吡啶的合成将2-溴吡啶（1.89g，12.0mmol），2,4-二氟苯基硼酸（2.30g，14.5mmol），和K2CO3（6g，43.5mmol）的混合物在甲苯（60mL）与水（10mL）的混合物中用Ar脱气15分钟。加入4-（三苯基膦）钯（800
7、mg，0.66mmol），,在氩气的环境下，将所得混合物加热至90℃，保持48小时。后冷却至室温，分离水相并用乙酸乙酯（3*100mL）萃取。合并有机相并用盐水洗涤，再用硫酸镁干燥，过滤。旋干溶剂后用柱色谱法纯化产品（二氧化硅，氯仿/正己烷(v/v)=50/50，后用氯仿为展开剂），得无色油状物1.65g（72%），静置后凝固即为目标物。1HNMR(ppminCD3ODwithNaOD,400MHz):8.72(d,J)6.0Hz,1H),8.02(t,J)7.1Hz,1H),8.00(t,J)7
8、.2Hz,1H),7.78(d,J)6.1Hz,1H),7.25(d,J)6.0Hz,1H),7.02(t,J)7.1Hz,1H),6.92(t,J)7.2Hz,1H)。双（4,4’-二羧基-2,2’-联吡啶）-2-（2,4-二氟苯基吡啶钌）的合成将顺-二氯-双（4,4'-二羧基-2，2'-联吡啶）钌（0.50g，0.757mmol）和2-（2,4-二氟苯基）吡啶（0.279g，1.51mmol）溶解在乙二醇（75mL）中，并将反应混合物在氩气下加热至170℃，持续2小时。然后将四
