不同锚定分子配位自组装有机太阳能电池
(1. 黔南民族师范学院化学化工学院,贵州都匀 558000;2. 西北师范大学化学化工学院,甘肃兰州 730070)
摘要
设计了含有三嗪基团的上层锌卟啉ZnPw与含有咪唑基团的锚定卟啉ZnPAim,形成轴向配位自组装体。将这种双层自组装体固定在TiO2电极表面,构建超分子染料敏化太阳能电池。对自组装ZnPw-ZnPAim电池性能测试,测试结果表明,采用锚定卟啉的自组装体具有较高的光伏性能,其中Jsc = 5.14 mA/cm2,η = 1.85%。与有机小分子锚定基团相比,双层卟啉自组装体光伏性能高出3.7倍。此外,对锚定卟啉自组装体电池的紫外-可见吸收光谱,双层自组装结构进行了表征测试。
引言
利用太阳能发电是新一代新兴环保技术,在未来的城市建筑中能够满足全部能源需求。染料敏化太阳能电池(DSSCs)是这种新兴技术竞争最有力的能源材料之一,DSSC具有制备工艺简单、成本低、应用范围广等优势。DSSC由4个关键器件组成:化学染料、工作电极、对电极和电解液。化学染料对整个DSSC装置起着核心作用,在光谱吸收和电子的传递中起着关键作用。目前DSSC的研究主要集中在提高光伏器件的效率,同时降低电池的生产成本。在DSSC问世以来,大多数研究者均集中在钌系染料,这主要是由O’Regan和Grätzel制备的第一代DSSC[1]。后来人们发现重金属钌存在毒性较大、对环境污染较严重、生产成本过高等缺陷不利于进一步发展。卟啉,天然的叶绿素载体。可以进行光合作用,为人工集光系统应用提供理论基础,近些年它的发展受到研究者的关注。
Grätzel课题组利用卟啉染料构建的染料敏化太阳能电池,其光电转换效率高达13%。在过去的几十年里,卟啉染料敏化太阳能电池以其合成简单、中高转换效率等优势得到了迅速发展。大部分科研工作者更倾向于选用供体-π桥-受体(D-π-A)类型的卟啉染料,因为其表现出优异的光电转换效率。在D-π-A结构中,调节电子供体和受体是改变染料分子结构提高电池光伏性能的关键手段。电子受体又称锚定分子(基团),锚定基团是电子传输、转移和注入半导体表面的决定因素,较好的锚定分子直接影响着电池的光伏性能。D-π-A结构卟啉由于单分子合成复杂,其发展也受到一定限制。
卟啉基于的配位自组装体,可以产生有效的电荷分离,并将分离的电荷转移到电池装置的电极上。卟啉的自组装体正在尝试构建人工集光装置,这种配位自组装形式在染料敏化太阳能电池中有着广泛应用。卟啉配位自组装技术,对不同卟啉单元进行合理设计与合成,有效的避免了单分子卟啉合成复杂等缺陷。我们前期工作主要是利用配位自组装技术,选取有机小分子作为锚定基团构建自组装染料敏化太阳能电池。本文在前期工作基础上,选择具有光伏性能的卟啉作为锚定分子构建光电装置,对其光学、电化学性能进行研究并与有机小分子锚定基团作对比。
结论
本文设计合成了咪唑类锌锚定卟啉,与上层卟啉ZnPAw形成金属-配体轴向配位方式自组装体,敏化在半导体TiO2电极表面。我们将其应用在染料敏化太阳能电池器件并对其光伏性能进行了测试。光伏性能测试表明,双层卟啉ZnPw-ZnPAim展示出较好的光电转化效率,与有机小分子A1作为锚定分子自组装体对比,展示出较优越的性能。当采用卟啉作为锚定分子时在双层自组装体太阳能电池中具有较好的应用。
目录
1 实验部分
1.1 配位自组装过程
组装体ZnPw-ZnPAim敏化在TiO2电极表面过程:卟啉分子(ZnPAim)作为锚定分子通过羧酸基团固定在TiO2电极表面,然后通过ZnPw卟啉中心Zn(Ⅱ)离子和锚定卟啉ZnPAim的N原子键合,将所需的聚合物卟啉染料与锚定卟啉结合。详细的配位自组装过程如图1所示。
1.2 分子合成
所有溶剂、试剂均直接使用,无需进一步纯化,均为商业分析纯试剂。其中TFA为三氟乙酸、DDQ为二氯二氰基苯醌。卟啉染料合成采用改进Lindsey法与不同反应物进行合成,参考相关文献[26],上层卟啉ZnPw的合成参考文献[27]。
1.3.1 ZnP1的合成
1.3.2 ZnP2的合成
1.3.3 ZnPAim的合成
2 结果与讨论
2.1 组装结构表征
2.2 紫外可见吸收光谱
2.3 光伏性能表征
锚定卟啉ZnPAim和组装体ZnPw-ZnPAim电池器件在350~680 nm波长范围内测试了其单色光下的光电转化效率IPCE,其IPCE曲线如图4a所示。在辐照度为100 mW/cm即AM 1.5G模拟太阳光下测量组装体敏化剂电池器件的J-V曲线,详细的短路电流密度(Jsc)、开路电压(Voc)、填充因子(FF)以及光电转换效率(η)如图4b及表1所示。
3 结论
引用本文:武彧,刘家成.不同锚定分子配位自组装有机太阳能电池[J].化学试剂, 2020, 42(9):1027-1032.