聚(三苯胺-芴)染料及其應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了聚(三苯胺-芴)染料及其應(yīng)用，該聚(三苯胺-芴)染料是由具有三苯胺結(jié)構(gòu)和具有芴結(jié)構(gòu)的單體通過Stille偶聯(lián)反應(yīng)制成，制得的聚(三苯胺-芴)染料具有三苯胺和芴復(fù)合給體單元結(jié)構(gòu)，將其應(yīng)用于染料敏化太陽能電池的制備，可獲得大電流密度、高光電轉(zhuǎn)化率染料敏化太陽能電池。
【專利說明】聚(三苯胺-芴)染料及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及聚(三苯胺-芴)染料及其應(yīng)用，屬于功能染料的合成與應(yīng)用領(lǐng)域?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]隨著化石染料的日益匱乏，如何開發(fā)出替代能源越來越引起人們的關(guān)注。太陽能作為一種可再生的清潔能源在全球范圍內(nèi)得到了快速發(fā)展。通過太陽能電池進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換是人類利用太陽能的重要途徑之一。目前，以硅材料制成的太陽能電池使用最為廣泛，占到整個(gè)光伏市場的90%以上。盡管現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)大幅地降低了硅光伏器件的成本，但是，事實(shí)上對以硅為材料的光伏器件而言，成本已很難再有大的下降，因而大范圍推廣和使用硅光伏器件受到技術(shù)和成本的限制。有機(jī)光伏器件是太陽能光伏器件的一種重要形式。對它的研究始于上世紀(jì)70年代，由于其所具有的良好加工性能、柔韌性以及成本低等特點(diǎn)，從研究初期就受到了人們的廣泛關(guān)注。80年代初，第一個(gè)有機(jī)聚合物光伏器件問世，但其轉(zhuǎn)換效率只有不到0.1%。目前，有機(jī)光伏器件的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)可以達(dá)到10%以上。盡管效率還比較低，但是因?yàn)槠渌哂械闹T多優(yōu)勢，所以自然成為了硅光伏器件的良好替代品。人們對其開展的廣泛研究使得有機(jī)太陽能電池在近十年的發(fā)展迅速，取得了眾多成果。
[0003]有機(jī)光伏器件材料可以分為聚合物和有機(jī)小分子兩類。
[0004]有機(jī)小分子半導(dǎo)體中，載流子通過分子之間的π電子云重疊，通過在能帶中進(jìn)行隧穿運(yùn)動和跳躍運(yùn)動來進(jìn)行遷移。由于有機(jī)小分子所具有的良好的η共軛體系、高的電子親和能與離化能、可見光范圍內(nèi)較大的消光系數(shù)以及較強(qiáng)的光穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，因而，它從研究初期就是被研究較熱的一類材料。
[0005]聚合物有機(jī)半導(dǎo)體中，電子鏈內(nèi)是離域的，而分子間的作用相對較弱，所以電荷在聚合物鏈內(nèi)的轉(zhuǎn)移比電荷在鏈間的轉(zhuǎn)移容易實(shí)現(xiàn)。同時(shí)因?yàn)槠渌哂械膹澢?，易加工成型，?yōu)良的機(jī)械性能和良好的成膜性，所以預(yù)期能夠制備大面積的柔性器件。
[0006]染料敏化太陽能電池(DSSCs)是近年來研究較多的一類最有可能取代傳統(tǒng)無機(jī)硅太陽能電池的新型太陽能電池。染料作為DSSCs的重要組成部分，作用是吸收太陽光，將基態(tài)電子激發(fā)到高能態(tài)，然后再轉(zhuǎn)移到外電路，它能克服半導(dǎo)體本身只吸收紫外光的缺點(diǎn)，擴(kuò)展光譜相應(yīng)至可見光區(qū)，是產(chǎn)生電子和注入電子的關(guān)鍵因素，并且可通過改變?nèi)玖系姆N類得到理想的光電化學(xué)太陽能電池。它的性能是決定電池轉(zhuǎn)換效率的重要因素之一。
[0007]目前研究使用的染料敏化劑主要分為兩類，金屬配合物染料敏化劑和純有機(jī)染料敏化劑。
[0008]常見的金屬有機(jī)敏化劑有釕(鋨)類配合物、葉啉配合物和酞菁配合物等；純有機(jī)類染料主要包括吲哚類、香豆素類、胡蘿卜素類、酞菁類、葉啉類等。
[0009]金屬配合物染料在DSSCs中表現(xiàn)出良好的性能(CN200910067079.9)，目前DSSCs領(lǐng)域效率最高的金屬配合物染料為卟啉類(SM315)，其效率為13% (NatureChemistry6, 242 - 247 (2014))。但是由于貴金屬的資源限制和環(huán)境問題，使得非金屬純有機(jī)類染料成為近年來DSSCs中染料開發(fā)的熱點(diǎn)。純有機(jī)染料相對于貴金屬配合物染料而言具有原料來源廣泛，環(huán)境友好，成本較低，吸光系數(shù)高，便于進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(CN200910010809.1，CN201210048639.8，CN201210048639.8，CN201210178977.3)。但純有機(jī)物的光和熱穩(wěn)定性還有待提聞。
[0010]近年來，導(dǎo)電高分子材料應(yīng)用于有機(jī)發(fā)光二極管、聚合物太陽能電池等領(lǐng)域已有大量研究報(bào)道。相比于小分子染料而言，聚合物染料具有許多潛在的優(yōu)點(diǎn):一方面可以從小分子染料和聚合物太陽能電池材料中借鑒大量的經(jīng)典結(jié)構(gòu)單元，其分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選擇的余地比小分子更大。另一方面，利用高分子更好的耐熱性、耐溶劑性和成膜性，可提高染料在TiO2膜上的吸附穩(wěn)定性。另外利用高分子膜的阻隔效應(yīng)，有可能更好地抑制注入TiO2的電子與電解液中還原離子I3-的復(fù)合。所以，研究者希望利用高分子材料的優(yōu)勢，開發(fā)具有更高轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性的染料敏化電池。
[0011]目前國內(nèi)尚無聚合物染料應(yīng)用于DSSCs中的專利報(bào)道，而且為數(shù)不多的文獻(xiàn)報(bào)道效率也偏低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]針對現(xiàn)有技術(shù)中的聚合物染料存在光電轉(zhuǎn)換效率低的缺陷，本發(fā)明的目的是在于提供一種具有三苯胺和芴復(fù)合給體單元結(jié)構(gòu)、可制備大電流密度、高光電轉(zhuǎn)化率染料敏化太陽能電池的聚合物染料。
[0013]本發(fā)明的另一個(gè)目的是在于提供聚(三苯胺-芴)染料在制備大電流密度、高光電轉(zhuǎn)化率染料敏化太陽能電池方面的應(yīng)用。
[0014]本發(fā)明提供了聚(三苯胺-芴)染料，該聚(三苯胺-芴)染料具有式I所示結(jié)
構(gòu)單元:
[0015]
【權(quán)利要求】
1.聚(三苯胺-芴)染料，其特征在于，具有式I結(jié)構(gòu)單元:
2.如權(quán)利要求1所述的聚(三苯胺-芴)染料，其特征在于，R為氫原子、C6~C8的烷烴基或C6~C8的烷氧基中的一種。
3.如權(quán)利要求1所述的聚(三苯胺-芴)染料，其特征在于，所述的具有共軛雙鍵體系的基團(tuán)為共軛烯烴基團(tuán)、共軛芳烴基團(tuán)、具有共軛體系的雜環(huán)基團(tuán)中的一種或幾種的組合。
4.如權(quán)利要求3所述的聚(三苯胺-芴)染料，其特征在于，所述的具有共軛雙鍵體系的基團(tuán)為噻吩基團(tuán)和/或3，4-乙烯二氧噻吩基團(tuán)。
5.如權(quán)利要求1所述的聚(三苯胺-芴)染料，其特征在于，所述的酸性基團(tuán)為羧基、亞磷酸基、磺酸基、次磷酸基、過氧羧基、硼酸基、方酸基中的一種；所述的吸電子基團(tuán)為氰基、?；?、醛基、羧基、酰胺基、磺酸基、硝基、鹵芳基、季胺基中的一種。
6.如權(quán)利要求5所述的聚(三苯胺-芴)染料，其特征在于，所述的酸性基團(tuán)為羧基；所述的吸電子基團(tuán)為氰基。
7.如權(quán)利要求1所述的聚(三苯胺-芴)染料，其特征在于，分子量為3000~5000。
8.如權(quán)利要求1所述的聚(三苯胺-芴)染料，其特征在于，具有式I1、式II1、式IV或式V結(jié)構(gòu)單元；
9.一種如權(quán)利要求1~8任一項(xiàng)所述的聚(三苯胺-芴)染料的應(yīng)用，其特征在于，所述的聚(三苯胺-芴)染料作為染料層材料應(yīng)用于制備染料敏化太陽能電池。
10.如權(quán)利要求9所述的應(yīng)用，其特征在于，所述的聚(三苯胺-芴)染料在半導(dǎo)體納米二氧化鈦層上制成染料層，所述染料層與納米二氧化鈦層共同構(gòu)成光捕獲層，所述光捕獲層再進(jìn)一步 與透明基底、電解質(zhì)和對電極組裝成染料敏化太陽能電池。
【文檔編號】H01G9/20GK103980731SQ201410119597
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年3月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月27日
【發(fā)明者】潘春躍, 吳瑩瑩, 喻桂朋, 王剛 申請人:中南大學(xué)