超分子染料敏化剂及制备方法和应用与流程

本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种超分子染料敏化剂及制备方法和应用。

背景技术：

全球经济快速发展的同时也使人们面临着能源危机和环境污染两个严重问题，成为了人类社会可持续发展的重要瓶颈，因此许多科学家都致力于新能源的开发，期望能够实现清洁化以及可循环利用等目的。在众多的新能源中，太阳能具有极大的开发潜力，是人类可利用的最清洁的新能源之一，大规模的开发太阳能可以从根本上解决人们对于能源的需求，而光伏发电已成为太阳能利用的主要形式之一。

1991年，瑞士联邦高等工业学院的m.教授率先报道了染料敏化太阳能电池(nature,1991,353,737-740)，简称dsscs(dye-sensitizedsolarcells)，以较低的成本获得了高达7.1％的光电转换效率。染料敏化太阳能电池经吸引了全世界很多科学家的广泛关注，主要是由于其具有制作方便、价格低廉、并且有着很高的光电转换效率等优点，有望成为硅基太阳能电池的有力竞争者。染料敏化太阳能电池主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、对电极和导电基底等几部分组成。一般纳米多孔半导体薄膜通常为金属氧化物，比如tio2、sno2等，聚集在导电玻璃上作为负极，而对电极作为还原催化剂，最常用的为金属铂，染料敏化剂吸附在纳米多孔二氧化钛膜面上，正负极间填充的是含有氧化还原电对的电解质，比如碘基电解质。其中，染料敏化剂占用非常重要的地位，它很大程度上决定了器件的光子捕获能力和电荷注入性能，因此敏化剂的开发一直是研究者关注的重点方向之一。目前优秀的敏化剂比如n719、yd2-o-c8等的光电转换效率已经突破了13％，然而距离理论效率还有很大的差距，并且传统的敏化剂合成工艺复杂，因此开发新型高效的染料敏化剂具有很好的科学意义。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种超分子染料敏化剂及制备方法和应用，该敏化剂以长碳链修饰的双咔唑作为电子供体部分，通过天线分子以及锚固分子的吡啶n原子与金属离子进行配位自组装，得到双羧基锚固基团的超分子敏化剂。通过这种自组装方法得到的超分子敏化剂具有优秀的光电性能，操作简便，不需要复杂的合成步骤，同时可以调控天线分子、金属离子以及锚固分子来调节器件的光谱响应能力和电荷注入性能等。

本发明实施例的目的是通过如下技术方案实现的：

第一方面，本发明实施例提供了一种超分子染料敏化剂的制备方法，包括如下步骤：以2,2'-二辛可宁酸作为锚固分子，双咔唑类发色团作为天线分子，通过金属离子进行超分子自组装得到所述的超分子染料敏化剂，所述的超分子结构如下式a所示：

进一步的，所述锚固分子结构如式b所示，所述双咔唑类发色团天线分子如式c所示：

进一步的，所述金属离子为锌、锰、铬、镍、铜中的至少一种。

进一步的，包括如下步骤：

将tio2纳米晶薄膜先在一定浓度的锚固分子溶液中浸泡12-18小时，洗涤，干燥，再于的金属离子溶液中浸泡1-2小时，再在的天线分子溶液中进行超分子自组装12-18小时，洗涤，干燥，然后进行太阳能电池器件组装。

进一步的，锚固分子的溶剂为n,n-二甲基甲酰胺、甲醇、四氢呋喃中的一种或几种，金属离子的溶剂为甲醇、乙醇、n,n-二甲基甲酰胺中的一种或几种，天线分子的溶剂为乙醇、二氯甲烷、三氯甲烷、四氢呋喃中的一种或几种。

进一步的，锚固分子浓度为0.5-2mmol，金属离子的浓度为0.5-2mmol，天线分子的浓度为0.5-1mmol。

第二方面，本发明实施例提供了一种超分子染料敏化剂，所述的超分子染料敏化剂由上述的任一种方法制备而得。

第三方面，本发明实施例提供了一种超分子染料敏化剂在燃料敏化太阳能电池中的应用，所述的超分子染料敏化剂为上述的任一种方法制备的超分子染料敏化剂或为上述的超分子染料敏化剂。

借由上述方案，本发明超分子染料敏化剂及制备方法和应用至少具备如下有益效果：

本发明以长碳链修饰的双咔唑作为电子供体部分，通过天线分子以及锚固分子的吡啶氮原子与金属离子进行配位自组装，得到了双羧基锚固基团的超分子敏化剂。通过这种自组装方法得到的超分子敏化剂具有优秀的光电性能，操作简便，不需要复杂的合成步骤，同时可以调控天线分子、金属离子以及锚固分子来调节器件的光谱响应能力和电荷注入性能等，这种方法对于新型染料的开发具有很好的理论指导意义。

附图说明

图1为本发明超分子染料敏化剂及制备方法和应用中一实施例超分子敏化剂制备示意图；

图2为本发明超分子染料敏化剂及制备方法和应用中一实施例经过超分子自组装后制备的染料敏化太阳能电池的j-v曲线图；

图3为本发明超分子染料敏化剂及制备方法和应用中一实施例经过超分子自组装后制备的染料敏化太阳能电池的ipce曲线图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员对本发明方案的理解，下面结合具体实施例对本发明方案进行进一步阐述，应当理解，本发明实施例是对本发明方案的解释说明，不作为对本发明保护范围的限定。

第一方面，本发明实施例提供了一种超分子染料敏化剂的制备方法，包括如下步骤：以2,2'-二辛可宁酸作为锚固分子，双咔唑类发色团作为天线分子，通过金属离子进行超分子自组装得到所述的超分子染料敏化剂，所述的超分子结构如下式a所示：

在本发明的一些实施例中，所述锚固分子结构如式b所示，所述双咔唑类发色团天线分子如式c所示：

在本发明的一些实施例中，所述金属离子为锌、锰、铬、镍、铜中的至少一种。

在本发明的一些实施例中，包括如下步骤：

将tio2纳米晶薄膜先在一定浓度的锚固分子溶液中浸泡12-18小时，洗涤，干燥，再于的金属离子溶液中浸泡1-2小时，再在的天线分子溶液中进行超分子自组装12-18小时，洗涤，干燥，然后进行太阳能电池器件组装。

在本发明的一些实施例中，锚固分子的溶剂为n,n-二甲基甲酰胺、甲醇、四氢呋喃中的一种或几种，金属离子的溶剂为甲醇、乙醇、n,n-二甲基甲酰胺中的一种或几种，天线分子的溶剂为乙醇、二氯甲烷、三氯甲烷、四氢呋喃中的一种或几种。

在本发明的一些实施例中，锚固分子浓度为0.5-2mmol，金属离子的浓度为0.5-2mmol，天线分子的浓度为0.5-1mmol。

第二方面，本发明实施例提供了一种超分子染料敏化剂，所述的超分子染料敏化剂由上述的任一种方法制备而得。

第三方面，本发明实施例提供了一种超分子染料敏化剂在燃料敏化太阳能电池中的应用，所述的超分子染料敏化剂为上述的任一种方法制备的超分子染料敏化剂或为上述的超分子染料敏化剂。

本发明对构建的超分子染料敏化剂进行了太阳能电池器件组装。在对电极导电玻璃基底上打一个直径约0.8mm的小孔用来注入电解质，再将h2ptcl6(0.02m的异丙醇溶液)溶液旋涂到洗净的导电玻璃基底上，经高温烧结得到pt对电极。将经过超分子自组装的tio2电极与pt对电极用60um热封膜封装，通过真空回填方式注入碘基电解质，再封住此孔即可得到dsscs电池。对组装的电池器件进行了光电转换效率性质测试，在金属锌离子的情况下得到了相应的电流-电压曲线，如图2所示，光电转换效率为3.60％，短路电流密度为7.92macm^-2，开路电压为638mv，填充因子为71.31％，说明了这种超分子自组装方法在染料敏化太阳能电池中得到了成功的应用。

为了进一步确定2,2'-二辛可宁酸与天线分子通过金属离子进行了有效的超分子自组装，我们对组装的太阳能电池器件进行了单色光电转换效率的测试，得到了相应的ipce曲线，如图3所示。从图中可以看出，经过超分子自组装后得到的染料敏化剂在光谱响应上有了明显的改进，达到了近650nm，并且在500nm处器件的单色光电转换效率达到了37％，这也证明了本发明成功制备了超分子敏化剂。

本实施例是一种超分子敏化剂的制备方法及其应用，具体制备步骤如下：

(1)tio2纳米晶薄膜的制备：

fto玻璃片使用前用清洁剂在去离子水溶液中超声30min，然后用去离子水和乙醇洗涤。通过丝网印刷技术制备tio2纳米晶光阳极，tio2粒径为20nm，孔径为32nm。制作得到0.196cm²的tio2薄膜的厚度为12μm。

(2)超分子敏化剂的制备方法：

按照图1步骤所示，将制备好的tio2纳米晶薄膜先在1mmol的2,2'-二辛可宁酸的甲醇溶液中浸泡18小时，然后用乙醇洗涤，自然晾干，接着再放入1mmol的金属离子的甲醇溶液中浸泡1小时，再放入0.5mmol的天线分子双咔唑类发色团的二氯甲烷溶液中浸泡8小时，然后用乙醇洗涤，自然晾干。

(3)对电极的制备：

在fto导电玻璃上打一个直径约为0.8mm的孔用于注入电解质，然后将0.02m的h2ptcl6的乙醇溶液旋涂到导电玻璃表面，最后在马弗炉中450℃下烧结半小时，然后冷却至室温。

(4)染料敏化太阳能电池的制备：

将制备好的tio2薄膜电极与pt对电极通过60μm的薄膜用热烘枪进行胶合，再用抽真空的方法注入碘基电解液，最后用0.1mm厚度的薄玻片进行封装。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。