卟啉雙生色團(tuán)超分子自組裝體太陽能電池.pdf

1、卟啉衍生物是一類含有四個吡咯類亞基的大分子雜環(huán)化合物，其特殊的共軛結(jié)構(gòu)、優(yōu)越的光電性能，使其在光電化學(xué)等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。卟啉衍生物因其有很高的光吸收轉(zhuǎn)化能力、易于修飾和調(diào)整的結(jié)構(gòu)特征、簡易的合成路線、較低的制備成本以及環(huán)境友好等特點，故而成為目前被研究得最為深入和廣泛的太陽能電池敏化染料。近年來，卟啉超分子自組裝體系作為一個全新的學(xué)科交叉研究方向，因其特殊的光電性質(zhì)受到了人們的關(guān)注和研究。這些關(guān)于卟啉超分子自組裝體系的研究也對染料敏

2、化太陽能電池的設(shè)計提供了全新的策略和思路。
　　我們以一系列卟啉衍生物作為染料，通過卟啉中心金屬與錨定分子配位基團(tuán)軸向配位的方式形成組裝體敏化劑，將其綁定在二氧化鈦納米晶體光電極表面，然后將敏化后的電極組裝成為光伏器件，并研究了組裝體染料與單體染料敏化的太陽能電池器件的性能差異，以及不同的錨定分子和軸向配位卟啉分子對染料敏化光伏電池性能的影響。主要的結(jié)論如下：
　　1．我們成功地設(shè)計合成了一系列含吡啶基團(tuán)配位點的有機(jī)小分子錨

3、定Ai(i=1~4)以及能夠與之軸向配位的卟啉金屬配合物ZnP，通過卟啉中心金屬與錨定分子的吡啶基團(tuán)軸向配位的方式使二者形成組裝體ZnP-Ai(i=1~4)并綁定在二氧化鈦電極表面，通過透射電子顯微鏡和量化計算等方法分析表征了該體系在二氧化鈦電極表面的組裝結(jié)構(gòu)，并對其光伏器件的光電性能進(jìn)行了測試和對比研究。
　　實驗結(jié)果表明：
　?。?）有機(jī)小分子錨定Ai(i=1~4)與卟啉金屬配合物配位以后，其光伏器件表現(xiàn)出了一定的光電轉(zhuǎn)

4、化能力，而單獨由小分子錨定敏化的電池器件幾乎沒有光電轉(zhuǎn)化效率；
　?。?）通過對比ZnP-Ai(i=1~4)組裝體的光伏器件性能發(fā)現(xiàn)，含有氰基丙烯酸基團(tuán)的錨定分子A2的組裝體ZnP-A2光伏器件在該體系中具有最高的開路電壓VOC和短路電流密度JSC，因此具有最高的光電轉(zhuǎn)化效率；
　?。?）電化學(xué)阻抗測試結(jié)果表明，組裝體ZnP-A2修飾的電極表面TiO2導(dǎo)帶中的電子與染料和電解液復(fù)合的阻抗更高，因而使其導(dǎo)帶中的電子壽命更長，故

5、而其光伏電池器件具有較高的開路電壓。
　?。?）根據(jù)密度泛函理論（DFT）計算的結(jié)果，該組裝體系中ZnP-A2的前線分子軌道能級與I-/I3-電解質(zhì)的氧化還原電勢以及TiO2導(dǎo)帶能級的匹配程度更好，同時其LUMO+1分子軌道也更有利于電荷分離，這是其器件具有更高的短路電流密度和效率的重要原因。
　　2．為了提升此類超分子組裝體太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率，我們使用自身具有光電轉(zhuǎn)化能力的卟啉分子ZnPA替換了有機(jī)小分子作為錨定和分

6、子導(dǎo)線，以軸向配位的方式與不同的冠卟啉分子形成組裝體ZnPA-ZnPHx(x=1,2,3)，構(gòu)建了基于雙生色團(tuán)超分子自組裝體系的太陽能電池，其光電轉(zhuǎn)化效得到了較大的提升。通過對比不同組裝體的光電性質(zhì)差異，我們研究了此類自組裝體系太陽能電池的光電特性。
　　實驗結(jié)果表明：
　　（1）與單體ZnPA卟啉敏化染料相比，組裝體ZnPA-ZnPHx(x=1,2,3)的光伏器件具有更高的短路電流密度JSC，但與此同時，其開路電壓VOC有