[发明专利]染料、其制造方法以及它们在染料敏化太阳能电池中的用途

说明书

本申请要求于2011年1月14日提交的美国临时申请号61/433179的、于2011年6月17日提交的欧洲申请号11170427.6的优先权，出于所有的目的，这些申请各自的全部内容均通过引用结合在此。

技术领域

本发明涉及多种染料化合物，特别是基于酞菁以及萘酞菁类似物的、更具体是氟化的酞菁类似物的染料化合物，其一种或多种制造方法，以及它们在光电转换装置、尤其在染料敏化的太阳能电池（DSSC）中的用途。

发明背景

常规的太阳能电池通过利用在半导体结处存在的光电效应将光转化成电流。换言之，商业的太阳能电池从可见光吸收能量并且将其被激发的电荷载流子转换成电能。目前，主要的商业的太阳能电池是基于硅的太阳能电池。对于基于硅的太阳能电池，存在着用于材料处理所需的能量耗费高的缺点，并且涉及许多有待解决的问题，像环境负担以及成本和材料供应的限制。对于非晶硅太阳电池，也存在着当长时间使用时由于短时期内的退化造成能量转换效率降低的缺点。

近来，已经进行了许多尝试来开发低成本的有机太阳能电池，由此促进了染料敏化太阳能电池这样一种特殊类别的太阳能电池的发展，该电池是一类薄膜太阳能电池、是基于在一个光敏化的阳极与一种电解质之间形成的半导体、并且总体上是使用一种有机染料来吸收入射光以产生激发的电子。

DSSC为大规模的生产太阳能电池提供了廉价且通用的技术的前景。染料敏化太阳能电池（DSSC）是通过可以在低成本下生产的有机以及无机组分的一种组合而形成的。染料敏化太阳能电池在简化的处理步骤、低制造成本、透明度以及多向色性方面具有超过基于硅的太阳能电池的优点。这些染料敏化太阳能电池可以从柔性基片制造以用作具有移动性和便携性的电池。染料敏化太阳能电池还具有重量轻的优点。

这些染料敏化太阳能电池具有比基于有机硅的太阳能电池更低的能量（光电）转换效率，使得人们迅速地着手进行广泛的研究来增强能量转换效率。为了改进能量转换效率，人们重点关注的是将波长延伸到红外区域。已知的是为了在太阳能电池中使用，能带隙（eV）必须超过1.4eV（电子伏特）。

DSSC的基本元件总体上是一个用染料分子敏化以形成其DSSC内芯的TiO₂（二氧化钛）纳米微粒结构。将该二氧化钛纳米颗粒的组件适当地连接到其相邻物上。TiO₂是优选的用于纳米颗粒的材料，因为其表面是对持续的电子转移高度耐受的。然而，TiO₂仅吸收一小部分的太阳光子（UV中的那些）。附接到该半导体表面上的染料分子被用来收获大量的太阳光。

主要的染料分子在于一个金属原子以及一个提供了所要求的特性（宽的吸收范围、快速的电子注入、以及稳定性）的大的有机结构，例如钌络合物。The dye is sensible to the visible light.光在包括高能电子的染料中产生激发，该电子被迅速地注入到该半导体（通常是TiO₂）纳米颗粒中。该纳米颗粒半导体用作光诱导的电子朝向外部触点的运载体，该外部触点是位于该半导体（通常是TiO₂）薄膜的基部的一个透明的半导体。

同时，酞菁是在染色中广泛使用的一种色彩浓重的大环化合物。酞菁与周期表中的大多数元素形成了配位络合物。这些络合物也是色彩浓重的并且也被用作染料。所有的人造有机颜料中的约25%是酞菁衍生物。

将酞菁（Pc）化合物用作太阳能电池的电极中的染料具有以下优点：例如对于可见光的高透射率、在近红外区优异的选择性吸收、高的热阻、高的耐候性以及高的耐热性，这样使得酞菁化合物具有广泛的应用。

例如，在DSSC中使用酞菁锌已经在Md.Nazeeruddin（奈兹鲁丁）等人的应用化学国际版（Angew.Chem.Int.Ed.）2007，46，373-376以及M.等人的太阳能材料与太阳能电池（Solar Energy Materials & Solar Cells）2007，91，1611-1617中披露。

然而，对于可以造成DSSC的改进、特别是改进的转换效率的染料仍然存在一种需要。更具体地说，对于呈现出宽的吸收光谱（即，吸收尽可能多的太阳光谱）、高摩尔消光系数、有助于装置的长期稳定性和/或允许一种改进的转换效率的染料仍然存在需要。