[发明专利]一种N-苯基咔唑类化合物及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种N-苯基咔唑类化合物及其制备方法和应用。

背景技术

染料敏化太阳能电池（Dye Sensitized Solar Cell，DSSC）凭借其成本低、可弱光发电、光电转化率不受温度影响等特点，极有希望替代硅半导体光电转换部件，成为下一代实用型高性能太阳能电池。染料敏化剂是DSSC中决定可见光吸收和光电转换效率的关键结构材料，具有结构易设计修饰和加工、成本低、稳定性好等特点。

国内外染料敏化剂的研究主要分两类，一类为有机金属配合物，第二类为非金属有机染料，具有摩尔吸光系数高、吸收光谱宽和可通过结构修饰调变产生优良电化学性能等优点，是近年来染料敏化剂的研究热点。传统的非金属有机染料敏化剂的结构通式为“给体-π共轭桥-受体”(Donor-π Bridge-Acceptor，D-π-A)。如果在原有 D-π-A 结构的基础上增加一个受体或给体，不仅可以扩大π共轭体系，促进有机敏化色素分子吸收光谱红移，同时相较于π共轭桥的扩大而言更有利于有机敏化色素分子的稳定性。例如，朱为宏等于吲哚啉类敏化色素分子中引入苯并唑类等吸电子杂环，设计合成了一系列 D-A-π-A 型吲哚啉双受体敏化色素，获得了具有较高短路电流和开路电压的 WS-2，其效率达 9.04%； Kim 等则引入苯并噻二唑作为额外受体，报道了双受体型香豆素类敏化色素 HKK-CM4，总效率为5.97%。

咔唑及其衍生物具有较好的吸收和发射光谱，较优的空穴传输能力和较宽的能级，被广泛应用于电致发光、非线性光学和光折射材料。同时咔唑作为一种优良的电子给体，被应用于染料敏化剂的设计开发中。不少文献设计合成了一系列咔唑类染料敏化剂，其最优光电转换效率达到9.20%。另外，咔唑也被用作额外给体，与三芳胺或香豆素给体相结合，设计合成双给体类染料敏化剂，获得较好的光电转换效率（最高5.53%）。但咔唑类双受体染料敏化剂的设计合成鲜有报道。本发明以N-苯基咔唑为给体，苯为桥键，苯并噻二唑为中间受体，氰乙酸或罗丹宁乙酸为锚合受体，设计合成了两个新的N-苯基咔唑双受体染料敏化剂。目前，尚无文献报道该结构的太阳能电池应用。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种N-苯基咔唑类化合物的制备及应用，本发明主要将其应用于染料敏化太阳能电池。

所述的一种N-苯基咔唑类化合物，其特征在于包括如式（Ⅰ）、式（Ⅱ）所示的化合物Ⅰ和化合物Ⅱ：

。

所述的N-苯基咔唑类化合物的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

1）所涉及的反应原料化合物Ⅲ、化合物Ⅳ及化合物Ⅴ分别如式（Ⅲ）、式（Ⅳ）和式（Ⅴ）所示：

；

2）在有机溶剂Ⅰ中，加入如式（Ⅲ）所示的化合物Ⅲ与如式（Ⅳ）所示的化合物Ⅳ或式（V）所示的化合物V，在碱性化合物的作用下，加热回流搅拌反应1~10 h，反应完全后，过滤，滤饼用有机溶剂Ⅱ进行重结晶，获得如式（I）或式（Ⅱ）所示的N-苯基咔唑类化合物。

所述的N-苯基咔唑类化合物的制备方法，其特征在于所述有机溶剂Ⅰ为乙腈、氯仿、四氢呋喃或1,4-二氧六环中的一种或多种混合物，优选为体积比为1：1的乙腈和氯仿混合物。

所述的N-苯基咔唑类化合物的制备方法，其特征在于所述碱性化合物为哌啶、吡啶、三乙胺或者二甲胺中的一种或多种混合物，优选为哌啶。

所述的N-苯基咔唑类化合物的制备方法，其特征在于所述有机溶剂Ⅱ为乙腈、氯仿、二氯甲烷、甲醇、乙醇中的一种或两种混合物，优选为体积比为10：1的二氯甲烷和甲醇混合溶剂。

所述的N-苯基咔唑类化合物的制备方法，其特征在于所述的化合物Ⅲ、化合物Ⅳ或化合物V、碱性化合物的物质的量之比为1：1.0~3.0：0.1~0.3。

所述的N-苯基咔唑类化合物的制备方法，其特征在于以化合物Ⅲ的物质的量计，有机溶剂I的体积用量为20~80mL/mmol，优选为50 mL/mmol。

所述的N-苯基咔唑类化合物的制备方法，其特征在于所述的反应时间为3~6 h。

所述的一种N-苯基咔唑类化合物作为染料敏化剂在太阳能电池上的应用。

本发明式（Ⅲ）所示的化合物Ⅲ的制备如下：将式(Ⅵ )所示的化合物Ⅵ、式（Ⅶ）所示的甲酰基苯基硼酸及四三苯基膦钯溶于THF 中，加入碳酸钠水溶液，在N₂保护下加热回流制备得到。