[发明专利]含阳离子的钌络合物染料及其制备的染料敏化太阳能电池

说明书

技术领域

本发明属于染料敏化太阳能电池技术领域，更具体地，涉及一种含阳离子的钌络合物染料及其制备的染料敏化太阳能电池。

背景技术

能源是人类社会发展进步的驱动力，是人类赖以生存的基础。随着化石类能源的大量逐步消耗，在造成严重环境污染的同时，使人类陷入传统能源逐渐枯竭的困境。太阳能电池直接将太阳能转变成电能，是解决全球能源危机以及降低环境污染的重要方法之一。染料敏化太阳能电池以其制造成本低、可制成大面积、具有可柔性、透光性、色彩可调等优异特性，成为一种非常有应用前景的新型太阳能电池，其中，用于捕获光子的染料对电池效率有关键性的影响。

1993年，小组发表了N3染料，其单色光光电转换效率（IPCE）在400nm～600nm可达80%，并在标准AM1.5G太阳光照射下产生了17mA.cm^-2的短路光电流和720mV的开路电压，用其制备的染料敏化太阳能电池得到了10%的转换效率。2003年，小组发表使用N719染料制备的染料敏化太阳能电池，在标准AM1.5G太阳光照射下，其效率提升到10.85%。2004年，小组报导了用“黑染料”（black dye）制作的染料敏化太阳能电池，在标准AM1.5G太阳光照射下得到了11.04%的光电转换效率，这种染料不仅在可见光区域有吸收，甚至在近红外区也有吸收，它的光谱吸收波长达到920nm。在2002年以前，染料敏化太阳能电池的热稳定性较差，严重影响了其实际应用。针对这一问题，小组以N3染料为参考，设计并合成出双亲的多吡啶钌染料Z907。将该染料和先进的聚合物凝胶电解质结合，首次实现了在长期高热老化测试条件下染料敏化太阳能电池效率的高稳定性。

在保证器件热稳定和光稳定的同时，如何进一步提高效率是染料敏化太阳能电池今后研究的重点。小组提出了“扩大钌染料光捕获天线超共轭度”的概念，并根据这一概念合成出了新一代的高摩尔消光系数金属钌络合物染料。其中，含有噻吩及其衍生物的金属钌络合物染料表现出良好的光捕获能力，并取得了很高的电池效率。但是，研究人员发现，金属钌络合物染料分子中吸附集团羧基上的质子个数以及阳离子种类会对制备的染料敏化太阳能电池性能有一定影响。因为质子或其他阳离子作用在半导体与吸附染料的界面，影响界面的电子学和电化学性能，从而影响到电池的性能参数，包括短路电流、开路电压甚至填充因子。因此，选择合适的阳离子种类以及配位数，能够进一步提高染料敏化太阳能电池的效率。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种含阳离子的钌络合物染料及其制备的染料敏化太阳能电池，能改善染料敏化太阳能电池的性能，提高其光电转换效率。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种含阳离子的钌络合物染料，其特征在于，其分子结构由化学结构通式1表示；

化学结构通式1：

其中，Y₁、Y₂各自独立地为氢、X⁺R₁R₂R₃R₄或化学结构通式2～6中的任何一种；

化学结构通式2：

化学结构通式3：

化学结构通式4：

化学结构通式5：

化学结构通式6：

其中，X为氮或磷，R₁、R₂、R₃、R₄各自独立地为C_1-20烷基、苯基或苯甲基，R₅、R₆、R₇各自独立地为C_1-20烷基；

其中，X₁、X₂各自独立地为化学结构通式7～9中的任何一种；

化学结构通式7：

化学结构通式8：

化学结构通式9：

其中，R为氢、烷烃基、烷硫基、烷氧基、环烷基、卤烷基或卤素，n=1、2或3，A为氧或硫。

优选地，其分子结构由化学结构式（1-1）或（1-2）表示；

化学结构式（1-1）：

化学结构式（1-2）：