[发明专利]基于二苯胺-氮杂蒽的聚合物染料的制备及在染料敏化太阳能电池中的应用

说明书

技术领域

本发明属于聚合物染料敏化太阳能电池领域，特别涉及聚合物染料的设计合成及其在染料敏化太阳能电池中的应用。

背景技术

染料敏化太阳能电池(DSC)是今年来研究较多的一类最有可能取代传统无机硅太阳能电池的新型太阳能电池。染料作为DSC的重要组成部分，对其性能起着决定性作用。基于金属配合物的染料在DSC中表现出良好的性能(CN200910067079.9)，目前DSC领域效率最高的为锌卟啉类金属配合物(YD2-o-C8)，其效率为12.3％(AswaniYella,Michaeletal.Science,2011,334:629-633)。但是由于贵金属的资源限制和环境问题，使得非金属纯有机类染料成为近年来DSC中染料开发的热点。纯有机染料相对于贵金属配合物染料而言具有分子结构设计合成简单，原料来源广泛，摩尔消光系数较高等优点(CN200910010809.1，CN201210048639.8，CN201210048639.8，CN201210178977.3)。

近年来，导电高分子材料应用于有机发光二极管、聚合物太阳能电池等领域已有大量研究报道。为此，一些研究者希望利用导电高分子材料的优势，开发具有更高转换效率和稳定性的染料敏化电池。因为，相比于小分子染料而言，聚合物染料具有许多潜在的优点：一方面可以从小分子染料和聚合物太阳能电池(PSC)材料中借鉴大量的经典结构单元，其分子结构设计选择的余地比小分子更大。另一方面，利用高分子更好的耐热性、耐溶剂性和成膜性，可提高染料在TiO₂膜上的吸附稳定性。另外利用高分子膜的阻隔效应，有可能更好地抑制注入TiO₂的电子与电解液中还原离子I₃^-的复合。2011年，KirkS.Schanze等合成了一种4,7-二(3-羧基噻吩)-2,1,3-苯并噻二唑和3,4-二辛基噻吩共聚物染料，DSSC器件效率2.99％(ZhenFang,AaronA.Eshbaugh,KirkS.Schanze.J.Am.Chem.Soc.2011,133,3063–3069)。2009年，Binliu等首次合成了含有一个电子给体(D)和一个电子受体(A)(氰基丙烯酸)中间用共轭噻吩单元(π)连接的D-π-A型聚合物染料P2，DSSC器件转换效率为3.39％(WeiZhang,ZhenFang,BinLiu,et.al.Macromol.RapidCommun.2009,30,1533-1537)。2011年，Jongbeombeak等合成了以咔唑-噻吩共聚物为给体，氰基丙烯酸为受体，联噻吩为共轭π单元的D-π-A型聚合物染料RCP-1，效率达到4.11％。(DongWookChang,LimingDai,Jong-BeomBaek.et.al.Macromol.RapidCommun.2011,32,1809-1814)。2013年申请人合成了一系列基于三苯胺、咔唑、吩噻嗪单元的聚合物染料分子，并在主链上引入长烷基链以增强分子的柔性，另外，在侧链连接噻吩及其衍生物为桥联单元及氰基乙酸吸电子的单元，最高光电转换效率达到4.4％。(HaijunTan,ChunyuePan,GangWang.Et.al.RSCAdv.,2013,3,16612-16618)。

基于以上的研究经验，本发明结合二苯胺、氮杂蒽单元，制备了一系列的聚合物染料分子，并研究了其在DSC中的应用性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种有机聚合物染料的制备方法及在染料敏化太阳能电池中的应用，这类染料以二苯胺、氮杂蒽、芴等为给电子共轭主链结构，侧链连接氮杂蒽、噻吩及其衍生物桥联单元，以氰基乙酸为吸电子单元，这类染料在DSC中具有很好的应用性能。

本发明涉及的基于二苯胺-氮杂蒽的聚合物染料具有如下的化学结构通式1：

通式1中，D₂为：

通式1中，π为:

通式1中，X为:O,S。

通式1中，R为:

基于二苯胺-氮杂蒽的聚合物染料的制备方法具体步骤为：

通式1中取R为异辛基，π单元为噻吩，A为氰基丙烯酸；当π单元与R单元不同时，染料的合成方法与下述方法相同。