[发明专利]聚(三苯胺‑苯并噻吩/呋喃)染料及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚(三苯胺-苯并噻吩/呋喃)染料及其应用，属于功能染料的合成及应用领域。

背景技术

随着人们对石油资源日趋减少和能源需求的增加，人类面临着越来越严重的能源短缺的问题，人们对低成本和可再生的太阳能电池的研究也愈来愈重视。在太阳电池领域，硅太阳电池因其转换率高和技术成熟占据了比较大的市场份额，但硅太阳电池的原材料价格昂贵、生产成本高，同时其光电转换效率难以进一步提升，这些缺陷严重限制了硅太阳电池的发展。特别是自1991年由瑞士等人提出的染料敏化二氧化钛纳米薄膜新型有机太阳能电池(Nature,1991,353,737)以来，该类电池以其相对廉价的原材料和简单的制备工艺、高的光电转换效率，引起了人们极大研究兴趣。

经过二十余年的发展，目前的染料敏化太阳电池已经接近了硅电池的光电转换效率。更为重要的是，染料敏化太阳电池的制造成本仅为硅电池的1/10，具有良好的应用前景，有可能在未来取代硅电池而占据太阳电池的市场。目前，以有机染料SM315制备的染料敏化太阳电池，取得了13.0％的光电转换效率(nature chemistry,2014,6,242)。其中，有机染料的使用摆脱了以往高效染料敏化太阳电池对贵金属多吡啶钌染料的依赖，极大程度上降低了电池的成本。与多吡啶钌配合物染料相比，有机染料的选择更加多样，其原材料来源丰富，结构简单剪裁灵活，制备成本低廉，光电转换效率高，具有极高的开发前景。

在纯有机小分子染料研究中，通常通过拓宽光谱吸收，引入特殊基团抑制电子复合以及改变分子在半导体表面的聚集态等来提高光电转换效率。目前最常见的体系是D-π-A，光诱导分子内电子从D单元出发经过π单元到达A单元的转移使得光电流产生，分子的电子传输方向性更强，使转换效率有了很大提高。但是由于小分子染料在二氧化钛膜中可能脱附，以及氧化还原循环过程失稳，其长期稳定性还亟待进一步提高。因此促使研究者们将眼光转向共轭聚合物充当DSSCs中的染料敏化剂。

近年来，导电高分子材料应用于有机发光二极管、聚合物太阳能电池等领域已有较多的研究报道。因为导电聚合物把有机高分子的结构结构特性和合成优势与金属和无机半导体的光电性质结合起来了。据此，许多科学研究者希望能够充分利用导电高分子材料的优势，开发出高能量转化效率和稳定性的聚合物染料敏化太阳能电池。因为，相比于小分子染料而言，聚合物染料具有许多潜在的优点：一方面可以从小分子染料和聚合物太阳能材料中借鉴大量的经典结构单元，其分子结构设计选择比小分子更加灵活。另一方面，高分子具有更好的耐光照射、耐热性、耐溶剂性和成膜性，可提高染料在TiO₂膜上的吸附稳定性，减少染料的脱附。另外利用高分子膜的阻隔效应，有可能更好地抑制注入TiO₂的电子与电解液中还原离子I₃^-的复合。

然而，聚合物染料开发中最大的问题在于其光电转换效率低，无法与小分子有机染料相匹敌。在现有的为数不多的聚合物染料在DSSCs中应用的报道中，其最高光电转换效率为4.4％(RSC Adv.,2013,3,16612-16618)。中国专利(公开号CN103937292A，公开日2014年7月23日)公开了一种聚(三苯胺-吩噻嗪)染料及其在太阳能电池中的应用，其公开了一种主链具有吩噻嗪和三苯胺结构的聚合物，采用这种聚合物可以制备得到较大电流密度、高光电转化效率的染料敏化太阳能电池。但是，其光电转化效率为2.7～4.7％，还是难以达到实际工业应用的要求。因此，对于聚合物染料，仍然有很大的研究空间。

发明内容

针对现有技术中的聚合物染料存在光电转换效率低的缺陷，本发明的目的是在于对现有的聚(三苯胺-吩噻嗪)染料进行结构改进获得一种同时具有含共轭体系及羧基基团的三苯胺结构单元和带长烷基链侧链的苯并噻吩/呋喃结构单元的聚(三苯胺-苯并噻吩/呋喃)染料，可将其应用于制备相对聚(三苯胺-吩噻嗪)染料具有更高光电转化效率和大电流密度的染料敏化太阳能电池。

本发明的另一个目的是在于提供聚(三苯胺-苯并噻吩/呋喃)染料在制备大电流密度、高光电转化率染料敏化太阳能电池方面的应用。

本发明提供了一种聚(三苯胺-苯并噻吩/呋喃)染料，聚(三苯胺-苯并噻吩/呋喃)染料具有式I所示结构单元：

分子量为2000～50000；

其中，

R为C₅～C₉的烷氧基或者烷基；