[发明专利]一种用于染料敏化太阳能电池的光敏燃料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳能电池材料技术领域，具体涉及一种用于染料敏化太阳能电池的敏化剂及其制备方法。

背景技术

太阳能电池将太阳能直接转化为电能，是一种清洁能源，是解决能源危机和环境污染的最佳途径之一，1954年，贝尔实验室报道了光电转换效率达6％的太阳能电池，标志着实用化太阳能研究的开始。在太阳能电池中硅系太阳能电池是发展最成熟的，但由于其成本居高不下，远远不能满足大规模推广应用的要求。染料敏化TiO₂太阳能电池(Dye-sensitized solar cells，DSSCs)是瑞士科学家Gratzel教授于1991年提出并发展起来的一种新型高效太阳能电池，是太阳能电池发展的新里程碑。

染料敏化太阳能电池具有理论转换率高，透明度高，制备工艺简单，原料纯度要求不高，成本低等众多优点，已经成为世界各国研究机构竞相开发研究的热点。染料敏化太阳能电池的主要结构包括纳米晶TiO₂膜，光敏染料，电解质，对电极等。其中光敏染料是DSSCs的核心材料，它的主要作用是对太阳光的吸收，并把光电子传输到TiO₂的导带上，其性能的优劣对DSSCs光电转化效率和使用寿命起着决定性的作用。因此合成性能优越的光敏染料对该类太阳能电池的研究具有非常重要的意义。

用于DSSCs的理想光敏染料应满足如下要求：(1)具有宽的光谱响应范围，即能在尽可能宽的光谱范围内吸收太阳光能，一般认为波长920nm以下的太阳光是有效的；(2)可以与纳晶半导体表面牢固结合，并以高的量子效率将光激发电子注入到半导体的导带中去；(3)具有高的稳定性，可经历10⁸次氧化还原反应，相当于在自然太阳光下稳定20年；(4)具有足够高的氧化还原电势，使其能迅速结合电解质溶液或空穴导体中的电子给体而再生。

卟啉是由4个吡咯环通过亚甲基相连形成的具有18电子体系的共轭大环化合物。其分子配位性能突出，周期表上几乎所有的金属原子都能和中心的氮原子配位形成金属卟啉配合物。并且卟啉化合物具有良好的光、热和化学稳定性，在可见光区有很强的特征电子吸收光谱。因此得到了广泛的应用。卟啉类染料敏化太阳能电池具有独特的优势：①摩尔消光系数高，其敏化的电池可利用较薄的纳晶膜，有利于光生电子的注入与收集；②合成和结构修饰容易；③不含贵金属钌，合成原料没有来源限制，成本低。开发新型高效的光敏染料已成为当前太阳电池研究应用的一个热点。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种摩尔消光系数高、能够与半导体材料牢固结合、成本低的用于染料敏化太阳能电池的光敏燃料。

本发明的另一目的是提供该光敏燃料的制备方法。

本发明用于染料敏化太阳能电池的新型光敏燃料具有以下结构式：

具体制备方法包括以下步骤：

1)5-(4-氨基苯基)-10，15，20-三(4-羟基苯基)卟啉的制备：

取5-(4-硝基苯基)-10，15，20-三(4-羟基苯基)卟啉1～2份、二水氯化亚锡1～2份于反应容器中，再在反应容器中加入10～60份浓盐酸使5-(4-硝基苯基)-10，15，20-三(4-羟基苯基)卟啉和二水氯化亚锡充分溶解，在氮气保护下，升温至65～75℃反应1～5小时，反应结束后，冷却至室温，再用浓氨水调节pH值至7～10，然后用二氯甲烷萃取，再将二氯甲烷旋干，最后分离制得5-(4-氨基苯基)-10，15，20-三(4-羟基苯基)卟啉；

反应方程式为：

2)5-(4-氨基苯基)-10，15，20-三(4-羟基苯基)锌卟啉的制备：

取5-(4-氨基苯基)-10，15，20-三(4-羟基苯基)卟啉1～2份、醋酸锌2.6～5.2份于反应容器中，再在反应容器中加入10～80份氯仿使5-(4-氨基苯基)-10，15，20-三(4-羟基苯基)卟啉和醋酸锌充分溶解，升温至56～58℃回流反应1～5小时，反应结束后，将氯仿旋干，并用蒸馏水对滤饼进行洗涤，最后分离制得5-(4-氨基苯基)-10，15，20-三(4-羟基苯基)锌卟啉；

反应方程式为：

3)N-(5-对苯基)-10，15，20-三对羟基苯基锌卟啉-对羧基苯甲亚胺的制备：