[发明专利]一类吩噁嗪染料及其在染料敏化太阳能电池中的应用

说明书

技术领域

本发明属于功能染料的合成及应用领域，具体涉及吩噁嗪类染料的合成及作为能量转换方面材料的应用。 

背景技术

自从20世纪以来，例如煤，石油和天然气等化石能源为全球提供了大量的能量，为世界的发展和创新铺平了道路。然而过度消耗化石能源产生了大量的二氧化碳，给当今社会带来两大难题：全球变暖和能源供应安全。为解决此类问题，开发可再生新能源已成为不可阻挡的世界潮流。太阳能在地球上的储量非常丰富，其每年给地球提供的能量大约是5.4×10²⁴J，相当于1.5×10²¹度电的能量。相比于化石能源太阳能就地取材的特点为太阳能的开采和运输节省了成本。尤其是太阳能是一种可持续能源，并且对其的利用不会对环境造成破坏，是最环保的能源之一。所以太阳能作为一种分布广泛、可再生、无污染的能源，如何以低成本、高效率的方法利用太阳能已成为全世界科学工作者广泛关注的课题之一。 

太阳能电池是基于光伏效应原理，将太阳能转化为电能的半导体器件。当前的太阳能电池中，单晶硅太阳能电池效率最高，技术最成熟，但是由于单晶硅原料的稀缺性和苛刻的制作工艺导致不能大规模应用。相比于传统的硅太阳能电池，作为一种新型光伏技术，最早由O’Regan and报导的染料敏化太阳能电池（DSCs）具有易制造，高效率和低成本等特点。目前，研究组将卟啉类染料SM315作为敏化剂，与基于三（（2,2′-联吡啶））合钴(II/III)氧化还原电解质构成器件，获得了到目前为止DSC研究领域中最高的光电转化效率13.1%，从而加速了对DSCs的大规模实际应用的研究。 

其中，有机染料的使用摆脱了以往高效染料敏化太阳电池对贵金属多吡啶钌染料的依赖，极大程度上降低了电池的成本。与多吡啶钌配合物染料相比，有机染料的选择更加多样，其原材料来源丰富，结构简单剪裁灵活，制备成本低廉，光电转换效率高，具有极高的开发前景。 

在纯有机小分子染料研究中，通常通过拓宽光谱吸收，引入特殊基团抑制电子复合以及改变分子在半导体表面的聚集态等来提高光电转换效率。目前出现的体系是D-π-A，D-A-π-A等，光诱导分子内电子从D单元出发经过共轭单元到达A单元的转移使得光电流产生，到目前为止，三苯胺类染料C219的光电转化效率为10.1%，是纯有机染料敏化太阳能电池效率的最高水平。由于吩噁嗪具有强的给电子能力也适合用于光敏染料中的给体单元，其非共面的共轭结构可以有效的抑制染料在半导体表面的聚集，且吩噁嗪结 构有多个可修饰的位点。但是该染料仍然存在近红外区域光谱响应较差，电荷复合现象严重的问题。所以我们针对出现的问题引入带有烷基链或者烷氧基链的大空间结构的给电子单元D’来抑制电荷复合，并将D’以及D-π中引入π单元来调节共轭单元间的扭转角优化共轭，拓宽吸收光谱，增大光谱电流。可见，吩噁嗪类染料还有很大的研究空间。 

发明内容

本发明目的是提供一类新型的有机光敏染料，这类染料是以吩噁嗪为供电子D单元，首端是带有烷氧基或者烷烃基的三苯胺的供电子体D’单元，D’单元中还优选引入π单元，再连上吩噁嗪，尾端通过共轭基团为桥链连接氰乙酸吸电子基团，从而组成电子推-拉型化合物。由于氮原子以及氧原子上的孤对电子与共轭体系的相互作用，分子的激发态更容易发生电荷转移，因此产生独特的光电化学性能，在染料敏化太阳能电池中具有良好地应用性能。 

一类吩噁嗪染料，具有如下结构通式(I)： 

式(I)中，R₁为C1～C8的烷烃基； 

式(I)中，D’为下述2种化学结构之一 

化学结构通式1：

化学结构通式2：

其中，R₂是C1～C8烷氧基、烷烃基的任意一种； 

式(I)中，π单元为噻吩或噻吩并杂环或苯并杂环所构成的基团； 

式(I)中A单元为氰乙酸所构成的基团。 

R₁优选为C5～C8的烷烃基。 

R₂优选是C8的烷氧基或烷烃基。 

所述π单元的化学结构通式为下述5种化学结构的一种或几种的组合： 

化学结构通式1：

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：

其中，R₃是C1～C8的烷氧基、烷烃基的任意一种。