一類吩噁嗪染料及其在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一類吩噁嗪染料及其在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用。屬于純有機(jī)小分子染料的合成以及應(yīng)用領(lǐng)域。其要點(diǎn)是，所述染料的化學(xué)結(jié)構(gòu)是以吩噁嗪為供電子D單元，首端是以帶有烷氧基或者烷烴基的三苯胺為供電子體D’單元，尾端以氰乙酸受體單元為吸電子基團(tuán)。該材料具有獨(dú)特的光電化學(xué)性能，在染料敏化太陽(yáng)能電池領(lǐng)域中具有良好的應(yīng)用性能。
【專利說(shuō)明】一類吩噁嗪染料及其在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于功能染料的合成及應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及吩噁嗪類染料的合成及作為能量轉(zhuǎn)換方面材料的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]自從20世紀(jì)以來(lái)，例如煤，石油和天然氣等化石能源為全球提供了大量的能量，為世界的發(fā)展和創(chuàng)新鋪平了道路。然而過(guò)度消耗化石能源產(chǎn)生了大量的二氧化碳，給當(dāng)今社會(huì)帶來(lái)兩大難題:全球變暖和能源供應(yīng)安全。為解決此類問(wèn)題，開發(fā)可再生新能源已成為不可阻擋的世界潮流。太陽(yáng)能在地球上的儲(chǔ)量非常豐富，其每年給地球提供的能量大約是
5.4X IO24J,相當(dāng)于1.5X IO21度電的能量。相比于化石能源太陽(yáng)能就地取材的特點(diǎn)為太陽(yáng)能的開采和運(yùn)輸節(jié)省了成本。尤其是太陽(yáng)能是一種可持續(xù)能源，并且對(duì)其的利用不會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞，是最環(huán)保的能源之一。所以太陽(yáng)能作為一種分布廣泛、可再生、無(wú)污染的能源，如何以低成本、高效率的方法利用太陽(yáng)能已成為全世界科學(xué)工作者廣泛關(guān)注的課題之一。
[0003]太陽(yáng)能電池是基于光伏效應(yīng)原理，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的半導(dǎo)體器件。當(dāng)前的太陽(yáng)能電池中，單晶硅太陽(yáng)能電池效率最高，技術(shù)最成熟，但是由于單晶硅原料的稀缺性和苛刻的制作工藝導(dǎo)致不能大規(guī)模應(yīng)用。相比于傳統(tǒng)的硅太陽(yáng)能電池，作為一種新型光伏技術(shù)，最早由O’ Regan and GrStzel報(bào)導(dǎo)的染料敏化太陽(yáng)能電池(DSCs)具有易制造,高效率和低成本等特點(diǎn)。目前，GrStzd研究組將卟啉類染料SM315作為敏化劑，與基于三((2，2 ^ -聯(lián)吡啶))合鈷(ΙΙ/ΠΙ)氧化 還原電解質(zhì)構(gòu)成器件，獲得了到目前為止DSC研究領(lǐng)域中最高的光電轉(zhuǎn)化效率13.1%，從而加速了對(duì)DSCs的大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用的研究。
[0004]其中，有機(jī)染料的使用擺脫了以往高效染料敏化太陽(yáng)電池對(duì)貴金屬多吡啶釕染料的依賴，極大程度上降低了電池的成本。與多吡啶釕配合物染料相比，有機(jī)染料的選擇更加多樣，其原材料來(lái)源豐富，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單剪裁靈活，制備成本低廉，光電轉(zhuǎn)換效率高，具有極高的開發(fā)前景。
[0005]在純有機(jī)小分子染料研究中，通常通過(guò)拓寬光譜吸收，引入特殊基團(tuán)抑制電子復(fù)合以及改變分子在半導(dǎo)體表面的聚集態(tài)等來(lái)提高光電轉(zhuǎn)換效率。目前出現(xiàn)的體系是D- π -A, D-A- π -A等，光誘導(dǎo)分子內(nèi)電子從D單元出發(fā)經(jīng)過(guò)共軛單元到達(dá)A單元的轉(zhuǎn)移使得光電流產(chǎn)生，到目前為止，三苯胺類染料C219的光電轉(zhuǎn)化效率為10.1%，是純有機(jī)染料敏化太陽(yáng)能電池效率的最高水平。由于吩噁嗪具有強(qiáng)的給電子能力也適合用于光敏染料中的給體單元，其非共面的共軛結(jié)構(gòu)可以有效的抑制染料在半導(dǎo)體表面的聚集，且吩噁嗪結(jié)構(gòu)有多個(gè)可修飾的位點(diǎn)。但是該染料仍然存在近紅外區(qū)域光譜響應(yīng)較差，電荷復(fù)合現(xiàn)象嚴(yán)重的問(wèn)題。所以我們針對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題引入帶有烷基鏈或者烷氧基鏈的大空間結(jié)構(gòu)的給電子單元D’來(lái)抑制電荷復(fù)合，并將D’以及D-Ji中引入π單元來(lái)調(diào)節(jié)共軛單元間的扭轉(zhuǎn)角優(yōu)化共軛，拓寬吸收光譜，增大光譜電流?？梢?jiàn)，吩噁嗪類染料還有很大的研究空間。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明目的是提供一類新型的有機(jī)光敏染料，這類染料是以吩噁嗪為供電子D單元，首端是帶有烷氧基或者烷烴基的三苯胺的供電子體D’單元，D’單元中還優(yōu)選引入π單元，再連上吩噁嗪，尾端通過(guò)共軛基團(tuán)為橋鏈連接氰乙酸吸電子基團(tuán)，從而組成電子推-拉型化合物。由于氮原子以及氧原子上的孤對(duì)電子與共軛體系的相互作用，分子的激發(fā)態(tài)更容易發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，因此產(chǎn)生獨(dú)特的光電化學(xué)性能，在染料敏化太陽(yáng)能電池中具有良好地應(yīng)用性能。
[0007]一類吩噁嗪染料，具有如下結(jié)構(gòu)通式(I):
[0008]
【權(quán)利要求】
1.一類吩噁嗪染料，其特征在于，具有如下結(jié)構(gòu)通式(I):
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的吩噁嗪染料，其特征在于，R1為C5~C8的烷烴基。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的吩噁嗪染料，其特征在于，R2是CS的烷氧基或烷烴基。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的吩噁嗪染料，其特征在于，所述η單元的化學(xué)結(jié)構(gòu)通式為下述5種化學(xué)結(jié)構(gòu)的一種或幾種的組合: 化學(xué)結(jié)構(gòu)通式1:
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的吩噁嗪染料，其特征在于，其中R3是CS的烷氧基或烷烴基。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的吩噁嗪染料，其特征在于，所述的吩噁嗪染料具有式(II)、式(III)、或式(IV)的結(jié)構(gòu): 化學(xué)結(jié)構(gòu)式(II):
7.權(quán)利要求1~6任一項(xiàng)所述的吩噁嗪類染料的應(yīng)用方法，其特征在于，在染料敏化太陽(yáng)電池中作為光敏染料使用。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的吩噁嗪類染料的應(yīng)用方法，其特征在于，將染料太陽(yáng)能電池的光陽(yáng)極的納米多孔氧化物薄膜浸潰有吩噁嗪類染料。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的吩噁嗪染料的應(yīng)用方法，其特征在于，所述的納米多孔氧化物薄膜的材質(zhì)是氧化鈦、氧化鋅、氧化錫中的一種或多種任意混合。
【文檔編號(hào)】C09B23/04GK103937284SQ201410134570
【公開日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年4月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月4日
【發(fā)明者】潘春躍, 張怡平, 喻桂朋, 王剛 申請(qǐng)人:中南大學(xué)