[发明专利]基于二噻吩并苯衍生物的染料及其合成方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于有机光电材料技术领域，具体涉及一种基于二噻吩并苯衍生物的染料及其合成方法和应用。

背景技术

染料敏化太阳电池（Dye-sensitized solar cells，DSSC）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，由瑞士教授于1991年首先提出，故又称电池。这种电池结构简单，主要由工作电极、电解液和对电极组成。工作电极是通过在导电玻璃基底上烧结一层纳米多孔二氧化钛膜，并在纳米多孔二氧化钛膜上面吸附一层光敏染料而制得。电解液可以是液态的，也可以是准固态和固态的，最常用的I₃^-/I^-氧化还原电对。对电极一般是镀有一层铂的导电玻璃。

作为电池的重要组成部分，光敏剂染料能够有效地吸收太阳光，并由此产生激发电子，然后注入到二氧化钛等半导体的导带中。因此，染料的光电性能对染料敏化太阳能电池的光电转换效率有着至关重要的影响。目前，性能最好的染料敏化剂是含有贵金属钌的配合物，其中最经典的是N3和黑染料。然而，昂贵的贵金属价格和稀有的贵金属资源使得其大规模产业化受到了很大的限制。与此同时，具有成本低廉、高摩尔吸光系数和结构易调控的纯有机染料越来越受到重视，并成为该领域的研究热点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低廉、摩尔吸光系数高、结构易于调控的纯有机染料及其合成方法和应用。

本发明提供的有机染料，是以二噻吩并苯衍生物单元作为π共轭桥或其一部分的染料，该类染料具有以下结构通式：

其中，m和n为0～2的整数；

为下列化合物中的一种：

式中，R₁为氢或碳数小于12的(下同)烷烃基、烷氧基；

为下列化合物中的一种：

式中，R₂为氢或碳数小于12的烷烃基、烷氧基，

为下列含氮电子给体的一种：

式中，R₃为氢或碳数小于12的烷烃基。

本发明提供的上述有机染料的合成方法，包括5种路线：

（一)当n=m≠0时，其合成路线如下所示：

(1)化合物a的制备：根据文献方法[Wang,B.;Tsang,S.-W.;Zhang,W.;Tao,Y.;Wong,M.S.Chem.Commun.,2011,47,9471.]制备。

(2)化合物b可通过两种方法制备：(a)在惰性气体保护下，将一定量的化合物a与摩尔量是化合物a的2-3倍的（齐聚）共轭单元三丁基锡混合并溶于甲苯或N,N-二甲基甲酰胺中，加入摩尔量是化合物a的0.1%-2%的四三苯基膦合钯，加热至80℃-100℃后反应3-24小时；(b)或者在惰性气体保护下，将一定量的化合物a与摩尔量是化合物a的2-3倍的（齐聚）共轭单元硼酸(酯)混合并溶于甲苯或四氢呋喃中，加入摩尔量是化合物a的0.1%-2%的四三苯基膦合钯，将摩尔量是化合物a的1-10倍的碳酸碱金属盐溶于足量水中，加入反应瓶，并将反应体系加热至80℃-100℃，反应3-24小时。当上述两种条件下的反应结束后，将反应体系倒入水中，用不溶于水的有机溶剂萃取，有机相用水洗涤多次，干燥，除尽溶剂，柱分离提纯得到化合物b。

(3)化合物c的制备：在惰性气体保护下，将一定量的化合物b溶于有机溶剂中，同时加入化合物b摩尔量0.9倍-2倍的N,N-二甲基甲酰胺和三氯氧磷，加热至40℃-100℃后反应3-24小时。待反应结束后，将溶液pH值调到6-8。用不溶于水的有机溶剂萃取，有机相用水洗涤多次，干燥，除尽溶剂，柱分离提纯得到化合物c。

(4)化合物d的制备：在惰性气氛下，将一定量的c溶于有机溶剂中，加入化合物c摩尔量0.9-2倍的N-溴代琥珀酰亚胺，搅拌10-30分钟，反应结束后，加入水终止反应，用不溶于水的有机溶剂萃取，有机相用水洗涤多次，干燥，除尽溶剂，柱分离提纯得到化合物d。