[发明专利]一种有机染料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种有机染料，特别涉及一种由推电子基团-偶氮-香豆素-绕丹宁结构单元组成的有机染料。属于精细化工领域。

技术背景

近二十年来，染料敏化纳米TiO₂太阳能电池(dye-sensitized solar cells，DSSCs)作为新能源的研究、应用和商业开发已成为世界发达国家注目的焦点。对比于单晶硅或多晶硅太阳能电池，此类太阳能电池具有生产原料来源广泛、制造工艺成本低等特点。用在DSSCs上有机染料的作用就是吸收太阳光，有机染料分子吸收光子受激由基态转变到激发态产生电子和空穴，电子和空穴转移到纳米TiO₂半导体的导带上。因此，这种有机染料必须具备几个基本条件：(1)在纳米TiO₂表面具有快速的单层分子吸附性，且不易脱附；(2)在可见光区域要有较强较宽的吸收带；(3)其氧化态和激发态要有较高的稳定性；(4)激发态寿命足够长，且有很高的电荷传输效率；(5)具有足够负的激发态氧化还原电势以保证染料激发态电子注入TiO₂导带；(6)在氧化还原过程中，要有相对低的势垒以便在初级和次级电子转移中的自由能损耗最小。

迄今为止，人们已经合成了干余种染料用在DSSCs上，都具有不同成效的光电转换作用，其中钌吡啶有机金属配合物的光电转换效率最高已达11％以上。由于钌系列染料制备过程比较繁琐，光谱响应范围不够宽，再加上钌为贵金属，成本较高，所以人们积极开发纯有机染料。但是单一有机染料敏化受到染料吸收光谱的限制，很难与太阳的发射光谱相匹配，由此，人们设计了不同结构的染料配合使用，相互弥补各自吸收光谱不够宽的缺点，取得了一定的效果。

目前文献报道光电转换效果较好的是D-π-A型有机染料(D为推电子结构单元、π为共轭结构单元、A为电子受体单元，并作为有机染料分子牢固吸附在纳米TiO₂表面上的“锚”)，其分子结构中的推拉电子基团能有效地增强有机染料的分子极化，其分子的激发态更有效地形成电荷分离态。同时D-π-A型有机染料分子的电子推拉能力拓宽了其光谱响应范围，有利于电池性能的提高。

众所周知，偶氮化合物是一类电子高度离域的共轭型化合物，在偶合组分中引入推电子基团，可降低共扼发色体系的共振能，最大吸收波长将向长波方向移动，其最大吸收波长可以达到700nm以上。

基于以上研究成果和化学原理，本发明提供一种D-N＝N-π-A新型有机染料，目的在于找到一种分子设计剪裁性高、光谱响应范围宽、合成成本较低、能吸收大部分可见光的功能性有机染料，可应用于酸性染料、荧光染料、有机电致发光材料和染料敏化纳米TiO₂太阳能电池等领域。

发明内容

本发明提供一种D-N＝N-π-A型有机染料(D是推电子结构单元、N＝N为偶氮结构单元、π为香豆素共轭结构单元、A是绕丹宁电子受体结构单元)，具有通式(Ⅰ)所示结构：

其中通式(Ⅰ)R₁选自H、C₁～C₂₀烷基、C₁～C₂₀烷氧基、C₂～C₄₀双烷基氨基或C₁₂～C₆₀双芳胺基中的一种；R₂选自H或C₁～C₂₀烷基中的一种；Ar选自取代或未取代的苯基或萘基中的一种。

本发明提供的通式(Ⅰ)所示结构的D-N＝N-π-A型有机染料是依据以下合成路线和合成步骤实现的：

在本发明所述的合成路线中，R₁选自H、C₁～C₂₀烷基、C₁～C₂₀烷氧基、C₂～C₄₀双烷基氨基或C₁₂～C₆₀双芳胺基中的一种；R₂选自H或C₁～C₂₀烷基中的一种；Ar选自取代或未取代的苯基或萘基中的一种。

具体合成操作如下：