新能源材料论文..docVIP

材料科学进展课程论文 题目：氟硼吡咯染料敏化太阳能电池 姓 名 : 陈志斌 学 院 ：材料科学与工程学院 专 业 ：功能材料 年 级 ：2012级 批阅老师：林煜教授 【摘要】 染料敏化太阳能电池（Dye-sensitized solar cells，DSSC）作为一类集光、电、化学为一体的电池，由于具有制作工艺简单、生产成本低廉及环境友好等特点而引起全球的广泛关注。本文在学习了新能源材料进展课程及查阅相关文献后主要介绍氟化硼络合二吡咯甲川（Borondipyrrolemethene (BODIPY)，简称氟硼吡咯）荧光染料分子，由于具有优异光物理性能和高度的耐酸碱稳定性，目前已成功地应用到染料敏化太阳能电池（DSSC）敏化剂领域。 【关键词】 BODIPY 染料敏化太阳能电池 功能材料 新能源材料进展 1.DSSC的结构和运行原理 染料敏化太阳能电池主要由以下几部分组成(图 1)：透明导电玻璃、纳米二 氧化钛多孔半导体薄膜 、染料光敏剂 、电解质和透明对电极。在DSSC中 ，光 电转换过程通常可分为 ：(1)光激发产生电子空穴对 ；(2)电子空穴对分离；(3)向外电路输运；(4)氧化态染料的再生；(5)电解质的再生 。 图1 2.染料敏化剂简介 染料敏化剂在电池中吸收太阳光并引发最初的电子转移反应，是整个DSCs系统的核心部分，对DSSC的光电转换效率有着极为重要的影响。在过去近20年间，已经有数以千计的染料敏化剂被合成开发出来并应用于DSSC中，主要可以分为金属配合物染料和有机染料。在金属配合物染料中，光电转换效率较好的光敏材料主要集中在钌多吡啶配合物（如N3、N719等），但由于钌价格比较昂贵，且其制备纯化过程较复杂，结构修饰困难，制约了其广泛的应用。因此，新型有机染料敏化剂的设计合成，对于提高DSSC的光电转换效率具有非常重要的意义。 目前应用到DSSC中的有机功能染料种类繁多，包括香豆素染料、四氢喹啉染料、三芳胺染料、半菁染料、菁染料、方酸染料、芘染料、蒽醌染料等。虽然功能染料种类多样，但如果从结构上分析，性能较好的染料敏化剂一般由电子给体D、π共轭桥和电子受体A三部分（D-π-A）组成，究其原因在于这种D-π-A构型的有机功能染料具有易于通过合理的分子设计优化光捕获能力，且与TiO2及氧化还原对的能级匹配等特点。 此外，在众多的有机功能染料中，氟化硼络合二吡咯甲川（Borondipyrrolemethene (BODIPY)，简称氟硼吡咯）荧光染料分子，由于具有优异光物理性能和高度的耐酸碱稳定性，目前已成功地应用到染料敏化太阳能电池（DSCs）敏化剂领域：比如，2005年Nagano及其合作者首先在BODIPY的8位引入了具有供电性的2,4,5-三甲氧基苯基团（图2a），利用飞秒闪光光解方法，发现了从供电基团到BODIPY母体核的光诱导电子转移现象。因此将其制成染料敏化太阳能电池，测得总效率为0.54%。尽管光电转换效率结果还不尽如人意，但这却是BODIPY染料在这一领域的第一次尝试。考虑到该染料结构比较简单，并没有特别明显的电子推拉系统，以及器件制方面也还有优化空间，土耳其的Akkaya教授及其课题组在BODIPY染料的8位引入电子基团，在3,5位对称引入三苯胺供电子基团，从而构成强烈的推拉电子体系（图2b）。经过理论计算，从染料的电子云分布可以可以看出，电荷有明显的重新分布趋势，这一点在结构上很有利于在敏化太阳能电池的应用。经过测定光电转换效率为1.66%。该染料不但在结构上有了很大的改进，而且也推动BODIPY染料在DSSC应用领域往前走了一大步。 图2a 图2b 图2c 3.BODIPY基本结构 BODIPY基本结构见化合物1［１］。BODIPY 功能染料已被广泛地应用于生物标记物［２］、可调谐激光 器［３］、荧光开关［４］和荧光传感器［５］等方面。 BODIPY类染料具有良好的光伏性能，并且其可以修饰的位置多，在不同位置接入不同的官能团可以得到性质各异 的 BODIPY衍生物。因此，可通过选择性的接入具有相应功能的基团来调节BODIPY染料的吸收波长等光学性质、稳定性等化学性质，以及溶解性等物理性质。 化合物1 4.1.BODIPY发展 2005年，F