新型配体化合物在染料敏化太阳能电池中的应用的制作方法
【专利摘要】本发明通过有效的分子工程，设计制备了应用于染料敏化太阳能电池中的新型染料敏化金属配体化合物，可以提高对太阳辐射红色光谱区域的摩尔吸光系数，有效的增加染料激发态的电子注入二氧化钛半导体的效率，从而发展更加高效率和长寿命的染料敏化太阳能电池。本发明还涉及运用上述金属配体化合物制作染料敏化太阳能电池的方法。
【专利说明】新型配体化合物在染料敏化太阳能电池中的应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及应用于染料敏化太阳能电池(敏化太阳能电池)中的“天线”金属配体化合物的设计与制备，以及含有相同金属配体化合物的太阳能电池的制作方法。
【背景技术】
[0002]染料敏化太阳能电池，是一个基于光电化学原理的再生能源电池，其主要构件包括:一个光阳极，一个反电极，以及在这两个电极之间的电解液。染料敏化太阳能电池的主要工作化学成分是光敏化染料，电解液(例如，碘离子/碘分子离子)，和基于纳米形式的半导体材料(例如，二氧化钛)。
[0003]太阳能电池的光电转换效率的高低是取决于对整个太阳辐射光谱收获的光子的数量，以及注入到半导体的敏电子的数量。如图1所示，当光源照在电池上，光敏剂中的电子从基态跃迁到激发态，然后注入到二氧化钛的导带上去。
[0004]光敏染料吸附在光阳极(例如，纳米二氧化钛)上，并与电解液接触。然而，并非所有注入纳米二氧化钛导带的电子都能传输到外电路的对电极上，这是因为在注射电子和敏化材料氧化态之间的界面以及在注射电子和电解液之间的界面上，存在电荷复合湮灭的可能。因此，分子工程可以用来设计新型的太阳能光敏材料，使其吸收光谱广泛的覆盖可见光和近红外区域，收集最多的光子并转换成电子，再有效的将电子注入到导带上，并将电荷复合湮灭的可能降到最低，这样的设计组合将是非常理想的状态。
[0005]光敏染料可以是不含金属的有机染料或者含有金属的配合物染料。相比于不含金属的有机染料，配合金属染料一般来说表现出显着更好的耐光性和太阳能光电转换效率。钌基配合金属染料，优于其他过渡金属包括铜，铁等。它们通常由钌和一个“锚”构成，可以是具有或者不具有“天线”配体的配合物。一方面，“锚”的作用是确保发色团锚定在阳极上，另一方面，“天线”配体有助于扩大捕捉太阳辐射光的光谱范围，并显着提高摩尔吸光系数，从而更为有效的将光能转换成电能。
[0006]目前，染料敏化太阳能电池的主要问题，包括无法覆盖完整的太阳辐射光谱(涵盖高，低能量的光子)，特别是无法覆盖红色光谱区域，以及染料激发态的电子注入二氧化钛半导体效率低下，较低的摩尔吸光系数等。通过有效的分子工程，设计染料敏化“天线”的分子结构可以有效的解决上述问题。因此，研制新一代的“天线”配体，对于发展更加高效和稳健的染料敏化太阳能电池，是迫切有必要的。
【发明内容】
[0007]一方面，本发明是设计了一个在染料敏化太阳能电池使用的“天线”配体。“天线”配体有如下结构:
[0008]“天线”配体分子-1
[0009]
【权利要求】
1.用于敏化染料太阳能电池中的含有“天线”基团的金属配体化合物。
2.权利要求1中所述含有“天线”基团的金属配体化合物，包含一个或多个二齿或三齿的芳杂环的金属螯合基团，具有至少一个“天线”基团。
3.权利要求1至2中所述含有“天线”基团的配体化合物具有如下分子式结构:
4.权利要求1至3中所述“天线”基团具有如下分子式结构:
5.金属有机配合物可用作染料，应用于敏化染料太阳能电池中，其中的金属配合物包含: (一)一种金属，选自以钌，锇，铱，铼，铑，和铁等金属元素； (二)一个到两个二齿或三齿用于“锚定”的有机配位体； (三)一个到两个二齿或三齿有机含有“天线”基团的配位体； (四)零到两个单齿配位体，包括:羧基，氢氧基团，卤代基，氰基，异氰酸基(-NCO)，异氰硫酸基(-NCS)等； 本发明改进之处包括:采用至少一个为根据权利要求1至4中所述的“天线”的配位体。
6.权利要求5中所述的用于“锚定”的有机配位体，是(一个，两个，三个或四个)杂环金属螯合基团，其中包括，但不仅限于，羧基(-COOH)，磷酸基(-P03H2，-P04H2)，磺酸基(-S03H2, -S04H2)，酰胺基(-CONHOH)，以及它们其去质子化的衍生物形式。
7.权利要求5中所述的可用作染料的金属有机配合物，可以是如下结构: 敏化染料金属配合物-1
8.—个可再生的光电化学电池，其中包括:光阳极(是至少一个半导体金属导氧化层材料作为的电池基板)，光敏染料，一个对电极，以及在光阳极和对电极之间的电解质，其中的光敏染料，是一个如上所述权利要求5至7 “天线”基团的金属配体化合物。
9.权利要求8中所述的可再生的光电化学电池，其中所述的光敏染料是一个两亲性的分子结构，包括至少一个锚定基团，一个疏水部分以及一个终端基团，单层吸附在半导电金属氧化层上。其亲水性基团选自烷基羧酸，烷基二羧酸，烷基羧酸，烷基膦酸，烷基膦酸酯，烷基勝酸烷基二勝酸盐，烷基横酸氣基酸，烷基横酸盐，烷基轻亏酸，其中所说烷基可以是线性的，或者是树枝状，含有一到十二个碳原子。其疏水链部分可以突出在光敏染料单层分子层上。
10.权利要求8中所述的可再生的光电化学电池，其中所述的电解质是一个氧化还原系统，包括电化学活性的盐和形成一个上诉所说的电化学活性的盐阴离子或阳离子的氧化还原组。电解液中还包括极性有机溶剂，其沸点在正常大气压下，等于或大于100摄氏，其中包括 ，但不仅限于丁腈。
【文档编号】H01G9/20GK103665047SQ201210363431
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年9月26日 优先权日:2012年9月26日
【发明者】张勇 申请人:张勇