有机染敏电池染料光敏化剂介绍

    目前研究报道的染料光敏化剂主要有金属配合物染料和纯有机染料2种。

    1 联吡啶金属配合物光敏染料
    联吡啶金属配合物的中心金属原子通常为钌(Ru)、锇(Os)、铂(Pt)、铼(Re)、铁(Fe)或铜(Cu)等,其中,联吡啶钌配合物是最早被应用到DSSC领域且迄今为止仍然是综合性能最优异、应用最多的一类光敏染料。它们在可见光区有较宽的吸收光谱,良好的氧化还原性和激发反应活性,激发态和氧化态寿命长。
    近几年来,通过对原有联吡啶钌配合物取代基的修饰,这类染料的各项性能指标有了显著提高。Kuang等在原有的N3的联吡啶上引入长碳链的醚基得到了K60染料,在增强了染料疏水性的同时还改善了摩尔消光系数。实验证明,该染料在80&条件下经过1000h的寿命测试,电池效率稳定在8.0%左右。
    2008年Chen等报道了采用N取代的噻吩咔唑来修饰联吡啶,通过改变咔唑上的碳链取代基得到了CYCB6S和CYCB6L新型钌配合物光敏染料。通过光伏性能的测试发现,在AM1.5、100mW/cm2的模拟光下,CYC?B6S得到了9.7%的光电转换效率,表现出优良的光电转换性能;CYC?B6L得到了9.0%的光电转换效率。这2种染料的效率均高于同样条件下N3染料的效率(8.5%)。
    Gao等通过用烷基取代的噻吩和呋喃修饰联吡啶,分别得到了C101和C102钌配合物光敏剂,其中C101在AM1.5、99mW/cm2的模拟太阳光下,使用高效电解质得到了11.0%的光电转换效率。在60&条件下,经过1000h的寿命测试,使用非挥发性稳定电解质,电池效率稳定在9.0%左右;使用离子液体作为电解质,电池效率稳定在7.4%左右。离子液体下的稳定性使得此类染料有望应用于柔性DSSC中。电子给体修饰的联吡啶钌配合物也是近几年来研究的一个方向,研究主要集中在将三苯胺(TPA)作为电子给体引入联吡啶钌配合物染料中。
    电子给体引入联吡啶钌配合物染料中。当其受到光照激发时,染料以皮秒级速度将电子注入形成电子空穴对,联吡啶上的TPA作为电子给体,以纳秒级的速度还原被氧化的染料,形成长距离的电荷分离态,有效地减少甚至避免了电子回传的发生,增大了电路的开路电压。ChongchanLee等报道了以树枝状芳醚为电子给体的DA联吡啶钌染料DCSC13,此类染料的光电转换效率达到5.11%。

    2 卟啉和酞菁金属配合物
    卟啉的基本结构是由4个吡咯通过4个次甲基连接而成的具有芳香性的大环平面结构。近几年来,锌卟啉作为染料在DSSC中的应用研究频见报道。Campbell等报道了6种含有多烯丙二酸基团的锌卟啉在AM1.5、100mW/cm2模拟太阳光照射下,这些光敏染料组装的DSSC的光电转换效率均高于5%,最高达7.1%。
    酞菁的基本结构与卟啉很相似,可以看成是四苯并四氮杂卟啉,是4个异吲哚单元的缩合产物,稳定性较好。Reddy等报道了用酞菁光敏染料化合物制作的DSSC电池光电转换效率为3.1%。

    3 纯有机光敏染料
    纯有机染料对环境的相容性好,易合成和降解,成本较低,摩尔消光系数高,分子结构多样,种类繁多;而且还具有激发态寿命长,易与半导体进行界面电荷转移,化学性质稳定,可见光谱吸收范围较宽等优点,近年来得到了迅速发展。对于纯有机染料的设计,主要通过在桥基的两端分别引入供电子基和吸电子基,遵循电子给体桥基电子受体的电子推拉体系。通过改变不同电子给体、桥基和电子受体,可以得到多样的D???A型纯有机光敏染料分子。随着研究的深入,这类光敏染料制作的电池的光电转换效率和稳定性有了显著提高。

    4 多种染料共敏化
    虽然有机染料的摩尔消光系数比较高,合成和纯化较容易且成本低,但由于它们的可见光吸收带比较窄,从而降低了对光的利用率。为了提高电池效率,使光敏染料尽可能多地吸收可见和近红外光,可以采用多种染料共敏化的方式,即采用不同吸收波长的多种染料共同吸附在TiO2膜上来拓宽吸收光谱。有机染料结构的多样性为共敏化提供了广阔的空间。