太阳能电池新型光敏化染料的合成的研究

(1. 吴灿，重庆；

(2. 周有泽，云南；陈桂祥，广东；唐加林，重庆

【摘要】随着煤、石油、天然气等矿物能源的日益枯竭，人们迫切需要寻找其它的可替代能源，近年来，太阳能由于其独有的特性引起了人们的高度重视。探索出一条适合工业生产的绿色合成工艺迫在眉睫！染料敏化太阳能电池是最近20年基于纳米技术发展起来的一种新型低成本太阳能电池，利用Fischer反应和Ullmann缩合反应能促进光电传输材料的极大发展。

【关键词】染料敏化；太阳能电池；Fischer反应；Ullmann反应 能源

中图分类号：查阅《中国图书馆分类法》

引言：

随着煤、石油、天然气等矿物能源的日益枯竭，人们迫切需要寻找其它的可替代能源，近年来，太阳能由于其独有的特性引起了人们的高度重视。 目前，太阳能电池的研究开发主要有四类：硅太阳能电池；化合物半导体电池、有机太阳能电池和染料敏化太阳能电池。硅系太阳能电池是目前应用广泛、技术比较成熟的太阳能电池，但其成本仍居高不下。在现在研究的半导体材料中，化合物半导体太阳能电池使用的半导体材料砷化镓GaAs、硒化铟铜CuInSe2、磷化铟InP和锑化镉CdTe具有与最佳禁带宽度Egap相近的值(约1.5eV)，但是，这些半导体材料所采用的原料太昂贵而不宜大面积制备，而其毒性也限制了它们的应用。作为一种新型电池，有机太阳能电池虽然具有可柔顺

1

性和成本低廉的优势，但是其转换效率和稳定性过低。染料敏化太阳能电池是最近20年基于纳米技术发展起来的一种新型低成本太阳能电池，虽然其转换效率和稳定性仍然制约着其发展，但是，该电池被誉为最有应用前景的太阳能电池，特别是对于我们光伏产业发展比较晚的国家来说，对这种新型电池进行研究开发显得尤为重要。

正文：

1概述

1.1研究目的：为促进可持续发展，本着环保创新的理念，探索出一条适合工业生产的绿色合成工艺。

1.2 国内外的现状与趋势

1991年，瑞士Gratzel小组研制出用羧酸联吡啶钌(II) 染料敏化的TiO2纳米晶多孔膜作为光电阳极的化学太阳能光电池，称为Gratze电池或染料敏化纳米晶体太阳能光电 池。1998年，Gratzel等人进一步研制出全固态纳米晶体光电池，引起了全世界的关注。 在Gratzel 型太阳能电池中， 宽带隙半导体本身捕获太阳光的能力差，如将合适的染料吸附到半导体表面上，借助于染料对可见光的强吸收，可将半导体的光谱响应拓宽到可见光区。作为光敏剂的染料对太阳能 电池的性能起着至关重要的作用。大连理工大学精细化工国家重点实验室研制出了铼联吡啶系列光敏染料。华东理工大学以2，3-环戊基吲哚、异佛尔酮及氰基乙酸乙酯为原料，采用六步合成法生产吲哚啉类光敏材料。 由于市场上难以买到2，3-环戊基吲哚，本文用价廉易得的苯肼、环戊酮及异氟尔酮、氰基乙酸乙酯为原料，采用七步合成法生产吲哚啉类光敏材料，对合成工艺进行了详细的研究， 在Fischer反应催化剂的选用、Ullmann反应催化剂及溶剂的选用上，均取得创新性的进展。

2

1.3染料敏化太阳能电池的工作原理 通过超快光谱实验可得出染料敏化太阳能电池各个 反应 步骤速率常数的数量级[12]：

① 染料(S)受光激发由基态跃迁到激发态（S*）：S + hυ → S*

② 激发态染料分子将电子注入到半导体的导带中：S* → S+ + e-(CB)， kinj =

1010~1012s-1

③ I-离子还原氧化态染料可以使染料再生：3I- + 2S+ → I3- + 2S， k3 = 108s-1

④ 导带中的电子与氧化态染料之间的复合：1/3S+ + e-(CB) → S， kb = 106s-1

⑤ 导带中的电子在纳米晶网络中传输到后接触面(back contact ，BC)后而流入到外电 中：e-(CB) → e-(BC)， k5 = 103~100s-1

路

⑥ 纳米晶膜中传输的电子与进入TiO2 膜的孔中的I3-离子复合：I3- + 2e-(CB) → 3I-，

J0 = 10-11~10-9A cm-2

⑦ I3-离子扩散到对电极上得到电子使I-离子再生：I3- + 2e-(CE) → 3I-， J0 =

10-2~10-1A cm-2激发态的寿命越长，越有利于电子的注入，而激发态的寿命越短，激 发态

分子有可能来不及将电子注入到半导体的导带中就已经通过非辐射衰减而返回到 基态。②、④两步为决定电子注入效率的关键步骤。电子注入速率常数（kinj）与逆反应速率常数（kb）之比越大（一般大于三个数量级），电子复合的机会越小，电子注入 的效率就越高。I-离子还原氧化态染料可以使染料再生，从而使染料不断地将电子注入 到二氧化钛的导带中。步骤⑥是造成电流损失的

3

一个主要原因，因此电子在纳米晶网络 中的传输速度(k5)越大，电子与I3-离子复合的交换电流密度(J0)越小，电流损失就越小。

步骤③生成的I3-离子扩散到对电极上得到电子变成离子I-(步骤

⑦)，从而使I-离子再生 并完成电流循环。

1.4研究的必要性及意义：该太阳能电池新型光敏染料研制成功后，将会带来国内太阳能产业的重大突 破，而其中的一种中间体材料：N-(4-甲基苯基)六氢环戊基吲哚啉醛，不仅可以作为太阳能

光敏材料的中间体，还可以作为光电传输材料的中间体，所以，该课题成功后，还能促进光

电传 输材料的极大发展。

2社会效益分析：

能源一直是都是备受大家关注的问题，这种新型能源肯定会很受欢迎。

3环境效益分析：

绿色环保，可再生，无污染，能源佳品，节能无消耗。促进可持续发展。

参考文献

[1]鲁厚芳, 闫康平,涂铭旌.光敏染料在Gratzel型太阳能电池上的应用及其研究进展.化学试剂.2005.27(1)，11～15；2 9

[2] o’Regan B．，Gratzel M．A low—cost，high —efficiency solar cell based on dye—sen sitized colloidal TiO2 films[J]．Nature,1991，353：737—740

[3] Bach．U．，Lupo．D．，Comte P．et a1. Solid—state dye一sensitized mesoporous Ti02

4

solar cells with high photo- to-electron conversion efficiencies[J ]．Nature，199 8，395 ：583—585

[4] 孙世国,彭孝军,高云玲,吕荣文,孙立成.铼联吡啶系列光敏染料的合成.高等学校化学学报. 2004(25): 82O ～ 822

[5]专利：朱为宏,刘博等 华东理工大学 CN 101165103A 2008.4

[6] 孙世国,徐勇前等.染料敏华纳米晶体光电池,当代化工 2004.33（1）47-50

[7] 闻韧 药物合成反应 化学工业出版社 2003

[8] 闻韧 药物合成反应 化学工业出版社 2003：279-282

[9] 沙兰兰 浙江大学 硕士论文 2008

5