新型配體化合物在染料敏化太陽能電池中的應用的制作方法
【專利摘要】本發明通過有效的分子工程，設計制備了應用于染料敏化太陽能電池中的新型染料敏化金屬配體化合物，可以提高對太陽輻射紅色光譜區域的摩爾吸光系數，有效的增加染料激發態的電子注入二氧化鈦半導體的效率，從而發展更加高效率和長壽命的染料敏化太陽能電池。本發明還涉及運用上述金屬配體化合物制作染料敏化太陽能電池的方法。
【專利說明】新型配體化合物在染料敏化太陽能電池中的應用
【技術領域】
[0001]本發明涉及應用于染料敏化太陽能電池(敏化太陽能電池)中的“天線”金屬配體化合物的設計與制備，以及含有相同金屬配體化合物的太陽能電池的制作方法。
【背景技術】
[0002]染料敏化太陽能電池，是一個基于光電化學原理的再生能源電池，其主要構件包括:一個光陽極，一個反電極，以及在這兩個電極之間的電解液。染料敏化太陽能電池的主要工作化學成分是光敏化染料，電解液(例如，碘離子/碘分子離子)，和基于納米形式的半導體材料(例如，二氧化鈦)。
[0003]太陽能電池的光電轉換效率的高低是取決于對整個太陽輻射光譜收獲的光子的數量，以及注入到半導體的敏電子的數量。如圖1所示，當光源照在電池上，光敏劑中的電子從基態躍遷到激發態，然后注入到二氧化鈦的導帶上去。
[0004]光敏染料吸附在光陽極(例如，納米二氧化鈦)上，并與電解液接觸。然而，并非所有注入納米二氧化鈦導帶的電子都能傳輸到外電路的對電極上，這是因為在注射電子和敏化材料氧化態之間的界面以及在注射電子和電解液之間的界面上，存在電荷復合湮滅的可能。因此，分子工程可以用來設計新型的太陽能光敏材料，使其吸收光譜廣泛的覆蓋可見光和近紅外區域，收集最多的光子并轉換成電子，再有效的將電子注入到導帶上，并將電荷復合湮滅的可能降到最低，這樣的設計組合將是非常理想的狀態。
[0005]光敏染料可以是不含金屬的有機染料或者含有金屬的配合物染料。相比于不含金屬的有機染料，配合金屬染料一般來說表現出顯著更好的耐光性和太陽能光電轉換效率。釕基配合金屬染料，優于其他過渡金屬包括銅，鐵等。它們通常由釕和一個“錨”構成，可以是具有或者不具有“天線”配體的配合物。一方面，“錨”的作用是確保發色團錨定在陽極上，另一方面，“天線”配體有助于擴大捕捉太陽輻射光的光譜范圍，并顯著提高摩爾吸光系數，從而更為有效的將光能轉換成電能。
[0006]目前，染料敏化太陽能電池的主要問題，包括無法覆蓋完整的太陽輻射光譜(涵蓋高，低能量的光子)，特別是無法覆蓋紅色光譜區域，以及染料激發態的電子注入二氧化鈦半導體效率低下，較低的摩爾吸光系數等。通過有效的分子工程，設計染料敏化“天線”的分子結構可以有效的解決上述問題。因此，研制新一代的“天線”配體，對于發展更加高效和穩健的染料敏化太陽能電池，是迫切有必要的。

【發明內容】

[0007]一方面，本發明是設計了一個在染料敏化太陽能電池使用的“天線”配體。“天線”配體有如下結構:
[0008]“天線”配體分子-1
[0009]
【權利要求】
1.用于敏化染料太陽能電池中的含有“天線”基團的金屬配體化合物。
2.權利要求1中所述含有“天線”基團的金屬配體化合物，包含一個或多個二齒或三齒的芳雜環的金屬螯合基團，具有至少一個“天線”基團。
3.權利要求1至2中所述含有“天線”基團的配體化合物具有如下分子式結構:
4.權利要求1至3中所述“天線”基團具有如下分子式結構:
5.金屬有機配合物可用作染料，應用于敏化染料太陽能電池中，其中的金屬配合物包含: (一)一種金屬，選自以釕，鋨，銥，錸，銠，和鐵等金屬元素； (二)一個到兩個二齒或三齒用于“錨定”的有機配位體； (三)一個到兩個二齒或三齒有機含有“天線”基團的配位體； (四)零到兩個單齒配位體，包括:羧基，氫氧基團，鹵代基，氰基，異氰酸基(-NCO)，異氰硫酸基(-NCS)等； 本發明改進之處包括:采用至少一個為根據權利要求1至4中所述的“天線”的配位體。
6.權利要求5中所述的用于“錨定”的有機配位體，是(一個，兩個，三個或四個)雜環金屬螯合基團，其中包括，但不僅限于，羧基(-COOH)，磷酸基(-P03H2，-P04H2)，磺酸基(-S03H2, -S04H2)，酰胺基(-CONHOH)，以及它們其去質子化的衍生物形式。
7.權利要求5中所述的可用作染料的金屬有機配合物，可以是如下結構: 敏化染料金屬配合物-1
8.—個可再生的光電化學電池，其中包括:光陽極(是至少一個半導體金屬導氧化層材料作為的電池基板)，光敏染料，一個對電極，以及在光陽極和對電極之間的電解質，其中的光敏染料，是一個如上所述權利要求5至7 “天線”基團的金屬配體化合物。
9.權利要求8中所述的可再生的光電化學電池，其中所述的光敏染料是一個兩親性的分子結構，包括至少一個錨定基團，一個疏水部分以及一個終端基團，單層吸附在半導電金屬氧化層上。其親水性基團選自烷基羧酸，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鹽，烷基橫酸氣基酸，烷基橫酸鹽，烷基輕虧酸，其中所說烷基可以是線性的，或者是樹枝狀，含有一到十二個碳原子。其疏水鏈部分可以突出在光敏染料單層分子層上。
10.權利要求8中所述的可再生的光電化學電池，其中所述的電解質是一個氧化還原系統，包括電化學活性的鹽和形成一個上訴所說的電化學活性的鹽陰離子或陽離子的氧化還原組。電解液中還包括極性有機溶劑，其沸點在正常大氣壓下，等于或大于100攝氏，其中包括 ，但不僅限于丁腈。
【文檔編號】H01G9/20GK103665047SQ201210363431
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年9月26日 優先權日:2012年9月26日
【發明者】張勇 申請人:張勇