用于染料敏化太陽能電池的有機(jī)染料的制作方法
【專利說明】[0001] 用于染料敏化太陽能電池的有機(jī)染料
[0002] 本發(fā)明設(shè)及用于染料敏化太陽能電池值SSC)的有機(jī)染料。
[0003] 更特別地，本發(fā)明設(shè)及包含至少一個(gè)電子供體基團(tuán)和至少兩個(gè)電子受體基團(tuán)的用 于染料敏化太陽能電池值SSC)的有機(jī)染料，所述電子受體基團(tuán)中的每個(gè)通過31共輛單元 結(jié)合到所述電子供體基團(tuán)。
[0004] 所述有機(jī)染料在染料敏化的光電轉(zhuǎn)換元件中是特別有用的，所述染料敏化的光電 轉(zhuǎn)換元件進(jìn)而可W在染料敏化太陽能電池值SSC)中使用。
[0005] 因此，本發(fā)明的另外的目的設(shè)及包含至少一種上文指示的有機(jī)染料的染料敏化的 光電轉(zhuǎn)換元件，另外設(shè)及包括所述光電轉(zhuǎn)換元件的染料敏化太陽能電池值SSC)。
[0006] 染料敏化太陽能電池值SSC)由G謝zelM.等人在1991年開發(fā)并且其在近年來已 經(jīng)吸引相當(dāng)大的關(guān)注，因?yàn)槠浯碓诠怆娹D(zhuǎn)換效率（n)方面W及在生產(chǎn)成本方面兩者上 具有較大的潛力的太陽光的光伏轉(zhuǎn)換方法中的一種。
[0007] 關(guān)于染料敏化太陽能電池值SSC)的另外的細(xì)節(jié)可W在例如W下中發(fā)現(xiàn)： KalyanasundaramK.，"Dye-SensitizedSolarCells" (2010)，CRCPressInc.，第 版；Elliott,C.M.，"化UireChemistry" (2011)，第 3 卷，第 188 頁-第 189 頁；化奸el化 A.等人"ChemicalReviews" (2010)，第 110 卷，第 6595 頁-第 6663 頁；GriitzelM.， "化1:腳6" (2001)，第414卷，第338頁-第344頁。
[0008] 染料敏化太陽能電池值SSC)通常包括四個(gè)主要部件；光學(xué)上透明的電極（陽 極）；有機(jī)分子或有機(jī)金屬分子，其被稱為染料或光敏劑（在下文中被指示為染料），被吸附 在半導(dǎo)體氧化物上、通常在介孔的納米晶體二氧化鐵（Ti化）上；液體無機(jī)電解質(zhì)或固體有 機(jī)空穴傳輸材料；和對(duì)電極（陰極）。當(dāng)其吸收太陽光時(shí)染料被光化學(xué)地激發(fā)并且W該種 方式，其電子運(yùn)動(dòng)至具有較高的能量的軌道（LUM0或染料激發(fā)態(tài)），電子從所述軌道轉(zhuǎn)移至 半導(dǎo)體氧化物[即二氧化鐵（Ti02)]的導(dǎo)帶，留下處于其氧化形式中的染料分子。然后，電 子被收集在通常由用氣滲雜的二氧化錫（Sn〇2)("氣滲雜的氧化錫"-FT0)組成的透明的導(dǎo) 電層上，并且通過外電路達(dá)到對(duì)電極（陰極）。氧化的染料分子被如下地再生；通過由沉積 在陰極上的銷（Pt)催化的轉(zhuǎn)移，電子通過充當(dāng)電解質(zhì)的氧化還原對(duì)（通常艦化物/=艦化 物對(duì)）引發(fā)一系列的氧化還原反應(yīng)，在所述反應(yīng)結(jié)束時(shí)，W還原形式的氧化還原對(duì)將電子 轉(zhuǎn)移至保持在氧化形式中的染料，使染料再生并且關(guān)閉循環(huán)。
[0009] 染料代表染料敏化太陽能電池值SSC)的主要部件中的一個(gè)，因?yàn)槠涔δ苁鞘占?太陽光并且將太陽光轉(zhuǎn)換為電子流。為了使太陽能電池具有高的光電轉(zhuǎn)換效率（n)，染料 必須具有最佳的光學(xué)吸收性質(zhì)，即寬的太陽光吸收光譜和高的摩爾消光系數(shù)（〇。
[0010] 已經(jīng)允許達(dá)到高的光電轉(zhuǎn)換效率U)(即超過11%的光電轉(zhuǎn)換效率U))的最廣 泛使用的有機(jī)染料是通?；谔幱谘趸瘧B(tài)化[Ru(II)]的釘絡(luò)合物的有機(jī)金屬化合物。盡 管有最近的進(jìn)展（見，例如，AbbottoA.等人，"DaltonTransaction" (2011)，第40卷，第 12421頁-第12438頁），然而該些化合物具有某些缺點(diǎn)，比如，例如[Ru(II)]衍生物固有 的低的摩爾消光系數(shù)（0、合成和純化中的困難（其實(shí)際上需要精確的合成和復(fù)雜的純化 階段）、用于合成和釘自身兩者的高的成本、有限的化學(xué)穩(wěn)定性。
[0011] 由于該些原因，最近，無金屬的有機(jī)染料已經(jīng)被提出，如例如在W下中所描述；Yen Y.-S.等人，"JournalofMaterialsQiemistry"(2012)，第 22 卷，第 87；34 頁-第 8747 頁； Mis虹aA.等人，"Angewan化eQiemie"(2009)，第 48 卷，第 2474 頁-第 2499 頁。該些無 金屬的有機(jī)染料具有相對(duì)于有機(jī)金屬染料的多種優(yōu)點(diǎn)，其中：較高的結(jié)構(gòu)多樣性、較簡單的 并且較少昂貴的合成（例如，可W使用在有機(jī)化學(xué)中采取的標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行純化）、已經(jīng)能夠 大規(guī)模地進(jìn)行該合成的化學(xué)工業(yè)的存在、W及最重要的良好的光學(xué)吸收性質(zhì)即通過適當(dāng)?shù)?設(shè)計(jì)獲得寬的太陽光吸收光譜和高的摩爾消光系數(shù)（0的可能性。除了其中與金屬化咐 (即化咐鋒）混合的無金屬的有機(jī)染料已經(jīng)允許在適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)并且具有可疑的適用性的電 解質(zhì)[例如基于Co(二化晚基）的氧化還原電解質(zhì)]的存在下獲得12. 3%的光電 轉(zhuǎn)換效率（n)[如通過化11aA.等人，"Science" (2011)，第334卷，第629頁-第634頁 所指示]的僅僅一個(gè)實(shí)例之外，無金屬的有機(jī)染料已經(jīng)允許獲得具有低于使用含有金屬的 有機(jī)染料獲得的那些的光電轉(zhuǎn)換效率（n)的染料敏化太陽能電池值SSC)。
[0012] 實(shí)際上已經(jīng)進(jìn)行另外的研究，W便發(fā)現(xiàn)示出改進(jìn)的光學(xué)吸收性質(zhì)的無金屬的有機(jī) 染料。
[001引無金屬的有機(jī)染料的結(jié)構(gòu)通常屬于直鏈類型D-JT-A，其中D是電子供體基團(tuán)（即 富電子），n是具有31共輛鍵的不飽和的間隔物并且A是電子受體基團(tuán)（即缺電子），允 許基于二氧化鐵的染料的錯(cuò)固（即吸附）的基團(tuán)（通常C00H基團(tuán)）被結(jié)合到所述電子受 體基團(tuán)。
[0014]例如，通過Ning,Z.等人，在"QiemicalCommunications" (2009)，第 37 卷，第 5483頁-第5495頁中描述能夠給出具有良好的光電轉(zhuǎn)換效率（n)的染料敏化太陽能電池 值SSC)的無金屬的有機(jī)染料，其中電子供體基團(tuán)值）具有=芳基胺巧并且JT是包含唾吩 結(jié)構(gòu)比如例如稠合的單環(huán)和多環(huán)唾吩環(huán)的不飽和的間隔物。例如，還通過；XuM.等人，在 "化urnalofPhyicalChemistryC，，（2009)，第 113 卷，第 2966 頁-第 2973 頁中；aiang G.等人，在"QiemicalCommunications" (2009)，第 1 卷，第 16 期，第 2198 頁-第 2200 頁 中；ZengW.等人，在"ChemistryofMaterials" (2010)，第 22 卷，第 1915 頁-第 1925 頁 中描述相同類型的有機(jī)染料。
[00巧]在"Elnergy&EnvironmentalScience" (2009)，第 2 卷，第 1094 頁-第 1101 頁中，AbbottoA.等人描述具有多支鏈的結(jié)構(gòu)的用于染料敏化太陽能電池值SSC)的無金屬的有 機(jī)染料，所述多支鏈的結(jié)構(gòu)包含化學(xué)地結(jié)合到n-A類型的兩個(gè)支鏈的電子供體D，其中JT 是具有共輛鍵的不飽和的間隔物并且A是電子受體基團(tuán)，每個(gè)基團(tuán)A帶有用于在二氧化 鐵上錯(cuò)固必需的駿基官能團(tuán)。換句話說，存在從直鏈類型的幾何學(xué)（即D-JI-A)到支鏈類 型的幾何學(xué)的轉(zhuǎn)變。
[0016] 該種支鏈類型的幾何學(xué)在一個(gè)方面允許較延長的31共輛體系W及因此較高效率 的太陽光譜吸收，并且在另一個(gè)方面，借助于兩個(gè)基團(tuán)A允許含有用于將電子從染料的激 發(fā)態(tài)轉(zhuǎn)移至二氧化鐵的導(dǎo)帶（類似于具有從2至4個(gè)基團(tuán)A的有機(jī)金屬染料）的兩個(gè)通道 (而不是其他的有機(jī)染料特有的僅一個(gè)通道）。相對(duì)于對(duì)應(yīng)的直鏈結(jié)構(gòu)，上文的有機(jī)染料示 出不僅在光學(xué)吸收性質(zhì)中而且在化學(xué)穩(wěn)定性中的改進(jìn)。然而，關(guān)于光電轉(zhuǎn)換效率（n)，上文 的有機(jī)染料不總是示出良好的結(jié)果。
[0017] 盡管進(jìn)行大量的努力，但能夠給出具有良好的光電轉(zhuǎn)換效率（n)即高于或等于 5%的光電轉(zhuǎn)換效率（n)的染料敏化太陽能電池值SSC)的新的無金屬的有機(jī)染料的研究 仍然引起很大的興趣。
[0018] 因此，本申請(qǐng)人已經(jīng)考慮找到能夠給出具有良好的光電轉(zhuǎn)換效率（n)即高于或 等于5%的光電轉(zhuǎn)換效率（n)的染料敏化太陽能電池值SSC)的有機(jī)染料的問題。