[发明专利]新型配体化合物在染料敏化太阳能电池中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及应用于染料敏化太阳能电池(敏化太阳能电池)中的“天线”金属配体化合物的设计与制备，以及含有相同金属配体化合物的太阳能电池的制作方法。 

背景技术

染料敏化太阳能电池，是一个基于光电化学原理的再生能源电池，其主要构件包括：一个光阳极，一个反电极，以及在这两个电极之间的电解液。染料敏化太阳能电池的主要工作化学成分是光敏化染料，电解液(例如，碘离子/碘分子离子)，和基于纳米形式的半导体材料(例如，二氧化钛)。 

太阳能电池的光电转换效率的高低是取决于对整个太阳辐射光谱收获的光子的数量，以及注入到半导体的敏电子的数量。如图1所示，当光源照在电池上，光敏剂中的电子从基态跃迁到激发态，然后注入到二氧化钛的导带上去。 

光敏染料吸附在光阳极(例如，纳米二氧化钛)上，并与电解液接触。然而，并非所有注入纳米二氧化钛导带的电子都能传输到外电路的对电极上，这是因为在注射电子和敏化材料氧化态之间的界面以及在注射电子和电解液之间的界面上，存在电荷复合湮灭的可能。因此，分子工程可以用来设计新型的太阳能光敏材料，使其吸收光谱广泛的覆盖可见光和近红外区域，收集最多的光子并转换成电子，再有效的将电子注入到导带上，并将电荷复合湮灭的可能降到最低，这样的设计组合将是非常理想的状态。 

光敏染料可以是不含金属的有机染料或者含有金属的配合物染料。相比于不含金属的有机染料，配合金属染料一般来说表现出显着更好的耐光性和太阳能光电转换效率。钌基配合金属染料，优于其他过渡金属包括铜，铁等。它们通常由钌和一个“锚”构成，可以是具有或者不具有“天线”配体的配合物。一方面，“锚”的作用是确保发色团锚定在阳极上，另一方面，“天线”配体有助于扩大捕捉太阳辐射光的光谱范围，并显着提高摩尔吸光系数，从而更为有效的将光能转换成电能。 

目前，染料敏化太阳能电池的主要问题，包括无法覆盖完整的太阳辐射光谱(涵盖高，低能量的光子)，特别是无法覆盖红色光谱区域，以及染料激发态的电子注入二氧化钛半导体效率低下，较低的摩尔吸光系数等。通过有效的分子工程，设计染料敏化“天线”的分子结构可以有效的解决上述问题。因此，研制新一代的“天线”配体，对于发展更加高效和稳健的染料敏化太阳能电池，是迫切有必要的。 

发明内容

一方面，本发明是设计了一个在染料敏化太阳能电池使用的“天线”配体。“天线”配体有如下结构： 

“天线”配体分子-1 

另一方面，进一步的发明是将含有上述“天线”配体结构的金属螯合物应用于染料敏化太阳能电池，细节描述如下。 

本发明将在以下图纸详细解释，所列举的专利文献在参考文献中披露。 

附图说明

图1是染料敏化纳米晶太阳能电池半导体的各个组成部分的示意图。 

图2是光子转换成电子的量子效率比较，敏化染料分子-1，敏化染料分子-2和标准参考染料。 

具体实施方式

“天线”基团和天线配体分子 

如上所述，本发明的第一个方面是一个在染料敏化太阳能电池使用的“天线”配体。“天线”配体分子有如下结构： 

“天线”配体分子-1 

在除上述结构外，在一些实施方案中，“天线”配体基团含有其他衍生结构， 

如以下几个结构： 

“天线”配体分子-2 

“天线”配体分子-3 

锚定基团及金属配合物 

在染料敏化太阳能电池中，本发明所述的“天线”配体通常是和一个金属和至少一个锚定基团复合使用。在一般情况下，这种复合物包括： 

(一)一个金属，如，锇，铱，铼，铑，铁和钌； 

(二)一到两个有机锚定基团，例如，(一个，两个，三个或四个)杂环金属螯合基团，其中包括，但不仅限于，羧基(-COOH)，磷酸基(-PO₃H₂，-PO₄H₂)，磺酸基(-SO₃H₂，-SO₄H₂)，酰胺基(-CONHOH)，以及它们其去质子化的衍生物形式。 

(三)一到两个有机“天线”配体，如上所述；