太阳能电池有机染料敏化剂研究进展

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1、太阳能电池有机染料敏化剂研究进展张东玖，楚增勇，程海峰，邢摘要：欣（国防科学技术大学航天与材料工程学院，湖南长沙410073）感光染料敏化荆是太阳能电池的发动机，有稀有金属为核心，其应用受到限制，近年来基于纯有机染料的DSSC发展较快，其光电转换效率已经与多毗喘钉类的染料相当，如：Pery1ene染料、anthrocyanine染料、xanrhene染料、melocynine染料、indole染料和香豆素染料等。2.1机染料敏化剂由于价格低廉、转换率较高，得到了人们的广泛关注。主要介绍了有机染料敏化剂的基本要求，有机染料敏化荆分类

2、以及有机染料敏化剂评价方式等。染料的轨道能级，稳定性以及染料吸收光谱的红移都会对太阳能电池的转换率有所影响。因此研究这几类问题对太阳能电池的工业化发展有很大的帮助。关键词：钉基配合物光敏剂金属有机类光敏剂是以过渡态金属配合物为核心的有机染料。过渡金属配合物具有多元稳定氧化态，且其激发态性能良好，被广泛应用于电化学、光化学和光物理等方面的研究。目前和其它类型敏化剂相比，以钉基多毗噪配合物为染料敏化剂的DSSC一直保持着转化率〉10%的最高纪录，并且有着良好的长期稳染料敏化剂；能级轨道；稳定性；吸收光谱中图分类号：TM914文献标识码

3、：A1引言so1arce11s,染料敏化太阳能电池（dyesensitized定性］3目前越来越多的其他类常见金属被引用到有机染料中，女恥Zn,Cu,Fe,尤其以Zn最为常见。N3染料（如图1所示）RuLz（NCS）z,在太阳光下，IPCE达到80〜85%。短路电流超过17mA/cm2。DSSC电池）主要由宽带隙的多孔n型半导体（如Ti0：,Zn0等）、敏化层（冇机染料敏化剂）及电解质或P型半导体组成。感光性的染料在受到太阳光的激发时释放出电子，在二氧化钛纳米晶体中产生电子孔。染料分子被称为电池中的光子马达，正是它对光子的响应才驱

4、动了整个器件的运作。因此染料是DSSC对太阳能利用效率的关键因素【1染料分子的激发态必须有向电极传输电荷的本领；为了从太阳光中吸收更多的光子，染料必须在可见光乃至近红外范围内有宽的吸收光谱；为了把电子注入到电极染料分子的最低未占轨道（LUMo）的能级必须比半导体导带边的能级高；为能够与Tio：结合，表面形成牢固的化学键合；为了能从电极得到电子染料的最高占据分子轨道（HUMo）必须比电解液（1一/If）氧化还原电位低；为了电池的实际应用，染料分子必须具有长期的稳定性，能经得起108次以上的氧化还原过程，稳定性高、可逆性好。目前越來越

5、多的有机染料被设计、合成出來，如一系列具有胁II—A（给体一II共觇单元一受体）结构的有机染料引起了广泛关注和研究。这类染料由于具有大II共轨体系及给、受体推拉电子作用而拥有很宽的吸收带。N3染料激发态寿命较长，能量与Ti0o导带相匹配，热稳定性较好.且连在2个联毗旋上的竣基保证了Tioo薄膜表面能够迅速地吸收电子，同时在染料和半导体Z间形成较强的电子耦合，提高了电子的注入效率。但是N3染料在可见光谱的红光区域没有吸收。—嗽图1N3染料结构图FiglStruetureofN3针对该问题。Gratze1等人在2001年设计了一种全吸

6、收的“黑染料”（如图2所示）。将中心钉离子与质子化的三竣基三联毗唏和3个硫氧酸根配体进行配位，增大了共觇体系，且竣酸基团的引入提高了染料的摩尔消光系数，ICPE达到80%。与N3染料相比，“黑燃料”有更好的近红外响应，在整个可见光到920nm以内的近红外区有高效的敏化作用。2有机染料敏化剂分类除了N3、N719和b1ackdye外，新开发的染料C101和C102是两种钉的毗噪络合物染料，其光电转换效率达11.3%,该类金属有机染料由于使用昂贵的?收到稿件FI期：2010—07—16通讯作者：张东玖作者简介：张东玖(1984—)。女

7、.在读硕士.主耍研究方向为染料的合成与制备技术.勤图2黑染料结构图Fig2Structureofblackdye随后G『蕴tze1等人在“黑染料”与N3的基础上，对染料进行改进，设计了新型N719和N749染料，能量转换率达到11%［」然而这两类染料存在明显的缺点，在80〜85C容易分解，从而稳定性差，在耐久性测试中，N719一周后转换率降低到35%以下，改进后设计出C101和C102染料。图3N719染料结构图Fig3StructureofN719图4N749染料结构图Fig4StructureofN7492.2菁类有机染料光敏

8、剂到目前为止，大部分敏化染料的吸收峰主要集中在400”一一550nmZ间，在）550nm的区域，染料的吸光能力大大降低，这使得在550~800nrn乃至800nm的可见/近红外区域的光子无法捕捉。相对于可见光区域的敏化染料來说，近红外敏化染料研究相