[发明专利]一类咔唑-吩噻嗪有机染料及其在染料敏化太阳能电池中的应用

说明书

本发明涉及一类咔唑‑吩噻嗪有机染料及其在染料敏化太阳能电池中的应用，此类纯有机染料具有吩噻嗪和咔唑基团，且吩噻嗪与咔唑基团通过对位或邻位苯连接，具有如下图所示通式。将本发明的染料应用于染料敏化太阳能器件中，获得较高的光电转化效率。本发明染料制备方法较为简单，成本低廉，其制备电池光电转化效率高，具有商业化应用前景。

技术领域

本发明涉及一类咔唑-吩噻嗪有机染料及其在染料敏化太阳能电池中的应用，属于有机光电材料及有机光电转化应用技术领域。

背景技术

自1991年通过引入纳米技术，开创发明了染料敏化太阳能电池(DSSCs)以来，DSSC由于其较高的理论效率，简单的制备方法，低廉的生产成本，安全无毒等优点成为当前科研的热点。

DSSC是一种利用宽带隙氧化物半导体和敏化剂染料相结合的太阳能电池器件，其结构主要包括四个部分：光阳极、染料、电解质和电极。当太阳光照射到染料敏化剂上时，染料从基态跃迁为激发态，处于LUMO能级的电子注入纳米半导体材料的导带中再到达电极，经过外电路形成电流回路，从而将太阳能转化成电能。在DSSC中，染料分子起着吸收太阳光的作用，作为能量的载体，敏化剂的性能直接影响电池的效率。

目前，染料敏化剂主要分为金属配合物染料和纯有机染料两种。尽管金属配合物染料在器件中表现良好，但由于其使用稀土金属、合成及提纯复杂以及低摩尔消光系数较低，使得将来大规模商业化生产受到限制。而另一种纯有机染料，自有助于光诱导电荷分离的D-π-A结构提出以来，其发展取得了重大的突破。纯有机染料具有摩尔消光系数高，结构多样，不依赖稀土金属，合成及提纯方便等优点，因此成为发展迅速的一类染料。但是，目前已知的有机染料敏化剂收集和转化太阳能的效率仍然不能满足人们日益增加的能量需求。因此，开发具有高光电转化效率的有机染料敏化剂具有重要的现实意义。

研究表明，合理的染料分子设计(即：①具有能够牢固吸附于半导体表面的基团；②具有比电解质更正的氧化还原电势；③LUMO能级比半导体的导带更负；④具有较为稳定的氧化态和激发态；⑤具有较宽的太阳光光谱响应)将会获得高性能的染料敏化剂，进而能够获得高效率的DSSCs。本发明给出这样一种纯有机染料，以其吸收光谱宽，合成简单，制作电池效率高的优点，有望使染料敏化太阳能电池商业化。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的缺陷，提出一类咔唑-吩噻嗪有机染料及其染料敏化太阳能电池器件，该器件能够对可见光进行有效地吸收，光电转化效率高。

为了达到以上目的，本发明提供了一类咔唑-吩噻嗪有机染料，具有如下结构式1或者结构式2：

其中，Ar₁、Ar₂、Ar₃、Ar₄各自独立地选自氢原子、芳香烃基团、冠醚、C₁～C₂₀的直链烷基、C₁～C₂₀的支链烷基、C₁～C₂₀的烷氧基，R选自氢原子、C₁～C₂₀的直链烷基、C₁～C₂₀的支链烷基或者C₁～C₂₀的烷氧基。

在上述有机染料中，包含吩噻嗪基团。吩噻嗪基团本身带有富电子的硫原子和氮原子，且形成非平面的蝴蝶状共轭结构，这种结构可以有效的抑制分子聚集。当分子变为氧化态时，吩噻嗪环又会变成相对平面的状态，这样的特点有利于分子内电荷的转移。在染料敏化剂分子中引入吩噻嗪作为π桥，可以有效的增加分子的给电子能力。在吩噻嗪基团N位修饰方面可以引入不同的官能团，可有效的调节分子的溶解性、吸收波长，改善分子在半导体表面的形貌。同时，如果接入较长的烷基链，可以创建一个较为严密的疏水环境，阻止染料接触水汽而发生解离，使得有机染料具有很好的环境普适性。