[发明专利]一种具有双推拉电子基团的有机染料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于有机光电材料技术领域，具体涉及一种具有双推拉电子基团的有机染料及其合成方法以及在染料敏化太阳能电池中的应用。 

背景技术

染料敏化太阳电池（Dye-sensitized solar cells，DSSCs）是一种基于植物叶绿素光合作用原理研制出的新型太阳电池，由瑞士Gr?tzel教授1991年首先提出。这种太阳能电池结构简单，主要由工作电极、电解液和对电极组成。工作电极是以导电玻璃为基底的纳米多孔二氧化钛膜，并在上面吸附一层染料光敏剂而制得。电解液可以是液态的，准固态或固态的，氧化还原电对最常用的是I₃^-/I^-。对电极一般为镀铂的导电玻璃。 

作为电池的重要组成部分，染料光敏剂捕获太阳光，将激发产生的电子注入到二氧化钛等半导体的导带中。因此，染料的结构设计对对染料敏化太阳能电池的的光电性能至关重要。目前，染料敏化剂分为金属配合物染料和有机染料，其中金属配合物染料成本较高，不易纯化，而且具有毒性，使得其大规模产业化受到了很大的限制。与金属配合物染料相比，有机染料具有成本低，易制备，摩尔消光系数高和结构易调控的优点，已经成为该领域的研究热点。但一般有机染料都是由一个电子给体、一个共轭桥和一个电子给体（单D-π-A）构成的。本发明在此基础上提出具有双推拉电子基团（双D-π-A）的染料敏化剂，将这一类有机染料应用到染料敏化太阳能电池中，与单D-π-A有机染料相比，不仅可以有效地提高短路光电流和开路光电压，可以获得很高的能量转化效率，而且可以增加染料在二氧化钛的吸附性能，提高其太阳能电池的稳定性。因此，该新型染料在染料敏化太阳能电池领域中具有良好的开发和应用前景。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提高太阳能电池能量转化效率、稳定性的有机染料及其制备方法和应用。 

本发明提供的有机染料，是具有双推拉电子基团（双D-π-A）的有机染料，该染料分子结构中具有两个D-π-A体系，其中，D₁-π₁-A₁ 和D₂-π₂-A₂通过中间的桥联结构化学联接起来，结构如图1所示； 

其中，D₁，D₂为以下芳香化合物中的一种：

式中R为烷基链或烷氧基链（下同）；

π₁，π₂具有以下结构：

式中的Ar₁，Ar₂，Ar₃为以下芳香化合物的一种，n=0，1，2，3：

A₁，A₂为氰基乙酸或绕丹宁酸；

桥联结构为柔性烷基链、烷氧基链及以下芳香化合物的一种，其中X为S或O：

本发明提供的上述具有双D-π-A的有机染料的制备方法，具体步骤为：

(1) 芳香化合物的卤代：将原料溶解于有机溶剂中，然后将卤代琥珀酰亚胺分批加入，室温下搅拌半小时以上，反应结束后，将产物倒入冰水里，用不溶于水的有机溶剂淬取，再用碱液洗涤，分离后得到卤代芳香化合物；

 (2) 卤代芳香化合物与有机锡试剂的偶联：在无氧条件下，将卤代芳香化合物与有机锡试剂溶于甲苯或N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，加入摩尔比为1%至20%的四三苯基膦合钯，80?C至回流条件下搅拌4至60小时，反应结束后，除去溶剂分离粗产物后得偶联芳香化合物；

(3) 卤代芳香化合物与有机硼试剂的偶联：在无氧条件下，将卤代芳香化合物与有机硼试剂溶于甲苯或四氢呋喃中，加入等体积的碳酸钾或碳酸钠水溶液，再加入摩尔比为1%至20%的四三苯基膦合钯，80?C至回流条件下搅拌4至60小时，反应结束后，除去溶剂分离粗产物后得偶联芳香化合物；

(4) 最终染料的合成：将含有醛基的化合物与氰基乙酸和醋酸铵按照摩尔比为1:2~50:0.05-30的比例溶于冰醋酸中，氮气下回流2~72小时。反应结束后，用不溶于水的有机溶剂稀释，再用去离子水洗涤，有机相干燥后除去溶剂，再经分离后得到目标有机染料。