[发明专利]含推S,Se或Te电子基团的联吡啶钌染料及其在染料敏化太阳电池中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及含S，Se或Te推电子基团的联吡啶钌染料及其在染料敏化太阳电池中的应用。

背景技术

太阳能电池是利用光伏效应(photovoltaic effect)，将太阳能转换成电能的半导体元件，是伴随着半导体电化学发展起来的一个崭新的科学研究领域。早在1839年，法国科学家Alexandre Edmond Becquerel就发现以CuO或AgX涂布在金属电极上可以产生光电现象，后来，在1887年，Moser在涂有赤藓红的卤化银上进一步证实了光电现象。在Becquerel之后就有以硒(Selenium)制作的光伏电池，其效率约为1％～2％。20世纪60年代，德国的Tributsch教授发现，在一定的条件下，染料吸附在半导体上可以产生电流，成为光电化学电池的重要基础。同一时期，1954年，美国贝尔实验室(Bell Laboratory)的Chapin，Fuller与Pearson首次把PN结引进单晶硅也发现了光电现象，并发展成硅太阳能电池(silicon-based solar cells)取得专利，当时硅太阳能电池的效率和稳定性远高于光电化学太阳能电池，不久后就有商业化的产品问世。1971年Honda和Fujishima用TiO₂电极光电解水可以制得氢气，这才开始了具有实际意义的光电化学电池的研究。到了20世纪80年代，美国的Heller与意大利的Razzini等人制作的硅晶太阳能电池的功率转换效率已可达12％。

瑞士洛桑高等工业学院(Swiss Federal Institue of Technology，Lausanne)的教授的研究小组在20世纪80年代发展了染料敏化纳米薄膜太阳能电池，他们制备出纳米多孔TiO₂半导体膜，以过渡金属Ru以及Os等有机化合物作染料敏化剂，并选用适当的氧化—还原电解质作为导电材料。1991，小组报道了高效染料敏化太阳能电池的突破性工作，其功率转换效率已达到7.1％～7.9％，单色光电转换效率(IPCE)大于80％(Nature，1991，353)，这个结果的报道引起了科学界的轰动，染料敏化太阳能电池从此称为电池。1993年，小组研究了系列配合物敏化剂cis-Ru(2，2’—连吡啶—4，4’—二羧酸)₂X₂(X为Cl^-，Br^-，I^-，CN^-或SCN^-)的光电转化性质，其中红染料cis-Ru(2，2’—连吡啶—4，4’—二羧酸)₂(NCS)₂(被称之为N3染料)敏化的TiO₂纳米晶电极在较宽的波长范围内(480nm～600nm)单色光电转换效率超过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(J_SC)，720mV的开路电压(V_OC)以及10％的功率转换效率(η)(J.Am.Chem.Soc.，1993，115，6382)。这篇报道说明染料敏化太阳能电池的性能已接近传统的硅光伏电池的水平。1997年，小组开发了“黑染料”(black dye)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，它的光谱吸收宽度达到920nm，其功率转换效率也达到10％，与N3染料(如图1.2)被誉为明星染料(J.Am.Chem.Soc.，2001，123，1613)。

图1.2染料分子结构

但是在2002年以前该器件的热稳定性差，严重地影响了其实际应用。针对这一挑战性问题，小组以最高效的N3染料为参考，设计并合成出双亲的多吡啶钌染料Z907(如图1.3)。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电池效率的高稳定(J.Am.Chem.Soc.，2001，123，1613)。

图1.3 Z907和K19染料分子结构