[发明专利]染料敏化太阳能电池电解质添加剂及其合成方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于染料敏化太阳能电池的电解质制备技术领域，特别涉及染料敏化太阳能电池电解质添加剂及其合成方法，及在染料敏化太阳能电池中的应用。

背景技术

染料敏化太阳能电池是一种高效、廉价的新型太阳能电池。它一般由载负着染料的工作电极，电解质和对电极组成。其中，电解质起着在工作电极和对电极间输运电荷的作用。电解质的组成对染料敏化太阳能电池的光电性质有着重要影响。为了提高染料敏化太阳能电池的开路光电压，可以采用向电解质中加入添加剂的方法。因此，电解质添加剂的研究成为研究热点。有关电解质添加剂的报道主要有：J.Am.Chem.Soc.，1993，V.115，6382、Curr.Sci.，1994，V.66，706以及J.Phys.Chem.B，1997，V.101，2576中公开的电解质添加剂4-特丁基吡啶；J.Photochem.Photobiol.A：Chem.，2002，V.148，11、J.Am.Chem.Soc.，2003，V.125，1166以及Chem.Phys.Lett.，2003，V.370，381中公开的电解质添加剂1-甲基苯并咪唑。这两种电解质添加剂已成为目前常用的电解质添加剂。进一步的研究发现这些电解质添加剂可以提高染料敏化太阳能电池开路光电压主要是因为分子结构中芳香环上氮原子的孤对电子同工作电极中TiO₂表面Ti⁴⁺离子间的配位作用使得电解质添加剂分子可以吸附在工作电极TiO₂表面，从而导致了染料敏化太阳能电池开路光电压的升高。两者间的配位作用越强，电解质添加剂对染料敏化太阳能电池开路光电压的影响就越大。目前，染料敏化太阳能电池的开路光电压偏低，所以，发明一种新型的染料敏化太阳能电池电解质添加剂来提高开路光电压尤为必要。

发明内容

本发明的目的是改进现有作为电解质添加剂的吡啶类化合物仅含有烷基或氨基取代的不足，提供一种作为染料敏化太阳能电池电解质添加剂的2-甲基-4-烷氧基吡啶。

本发明的另一个目的是提供一种方法简便、高效、条件温和的合成目的一的烷氧基取代2-甲基吡啶化合物的合成方法。

本发明的还一个目的是提供2-甲基-4-烷氧基吡啶作为电解质添加剂在染料敏化太阳能电池中的应用。

本发明是将一种重要的取代基——烷氧基团嫁接到2-甲基吡啶环4位上，因烷氧基团具有较大的给电性，所获得的2-甲基-4-烷氧基吡啶环上的氮原子的电荷密度大，因而作为电解质添加剂在染料敏化太阳能电池中具有提高开路光电压的作用。

首先，由2-甲基-4-硝基吡啶N-O和醇钠进行亲核取代生成2-甲基-4-烷氧基吡啶N-O。然后，由2-甲基-4-烷氧基吡啶N-O与无机卤化磷进行还原反应得到2-甲基-4-烷氧基吡啶。该类化合物的烷氧基团和吡啶环构成共轭作用，使得吡啶环上氮原子孤对电子电荷密度增大，它能与染料敏化太阳能电池TiO₂工作电极表面Ti⁴⁺离子间形成强的配位作用。

本发明的染料敏化太阳能电池电解质添加剂，是2-甲基-4-烷氧基吡啶；具体地，2-甲基-4-烷氧基吡啶具有以下化学结构式：

其中，R为C₁～C₄烷基取代基，举例如下：

(1)R为甲基，得到化合物(A)，化学结构式为：

分子式为：C₇H₉NO

中文名称为：2-甲基-4-甲氧基吡啶

英文名称为：4-methoxy-2-methylpyridine

(2)R为乙基，得到化合物(B)，化学结构式为：

分子式为：C₈H₁₁NO

中文名称为：2-甲基-4-乙氧基吡啶

英文名称为：4-ethoxy-2-methylpyridin

(3)R为正丙基，得到化合物(C)，化学结构式为：

分子式为：C₉H₁₃NO

中文名称为：2-甲基-4-丙氧基吡啶

英文名称为：4-propoxy-2-methylpyridine

(4)R为异丙基，得到化合物(D)，化学结构式为：

分子式为：C₉H₁₃NO

中文名称为：2-甲基-4-异丙氧基吡啶