CN101735638A - 用于染料敏化太阳能电池的染料以及包括其的太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于染料敏化太阳能电池的染料以及包括其的太阳能电池。根据本发明实施方式的用于染料敏化太阳能电池的各种染料，均可具有以下化学结构1：[化学结构1]在上述结构中，各个X和Y均可包括取代基，所述取代基包括分别独立地被取代或未取代的芳香烃基、取代或未取代的芳香杂环基、及其组合；Z可包括取代或未取代的芳香烃基、取代或未取代的杂环基、乙烯基、以及取代或未取代的聚乙烯基；并且，A可包括酸功能基。

Description

用于染料敏化太阳能电池的染料以及包括其的太阳能电池
本申请要求2008年11月25日提交的韩国专利申请No.10-2008-0117585和No.10-2008-0117601的权益，在此援引这两个专利申请的全部内容作为参考。
技术领域
本发明涉及太阳能电池，更具体地，涉及用于染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cell)的染料。
背景技术
为了解决能源危机问题，近来正在针对现有石化燃料的替代进行各种研究。特别是，为了替代在几十年后将要耗竭的油气资源，正在针对诸如风力、原子能以及太阳能等自然能的利用进行各种研究。
在这些研究中，太阳能电池是环境友好的，这是因为太阳能电池基于与其它能源不同的无限能源——太阳。自从1983年开发了硅(Si)太阳能电池以来，由于近来的世界能源危机，太阳能电池已经成为近来关注的焦点。
然而，关于这种硅太阳能电池，各国之间由于Si原料的供应与需求而存在着激烈的竞争，并且生产成本很高。为了解决该问题，许多本地和海外研究机构提出了诸多解决方案。能够解决能源危机的多种解决方案中的一种是染料敏化太阳能电池。自从EPFL(Ecole Polytechnique Federale de Lausanne，在瑞士)的研究组(由Micheal Graetzel博士领导)于1991年开发出染料敏化太阳能电池以来，染料敏化太阳能电池已经成为了学术界关注的焦点。在许多研究机构中已经针对染料敏化太阳能电池开展了诸多活跃的研究。
染料敏化太阳能电池是一种光电化学太阳能电池，通常包括能够通过吸收可视光线来产生电子-空穴对的光敏染料分子和能够传递所产生的电子的过渡金属氧化物，这与硅太阳能电池不同。在常规的多种染料敏化太阳能电池中，主要对利用纳米颗粒的氧化钛的染料敏化太阳能电池进行了研究开发。
利用纳米颗粒的氧化钛的染料敏化太阳能电池的优点在于与现有的硅太阳能电池相比时其能够便宜地制得，并且由于透明的电极而能够应用于建筑物外墙中的玻璃窗或者玻璃温室，但是它的缺点在于它具有较低的光电转换效率。因此，对该利用纳米颗粒的氧化钛的染料敏化太阳能电池需要进行更多的研究。
太阳能电池的光电转换效率与通过吸收太阳光所产生的电子的数目成比例。为了增大效率，需要通过增加氧化钛纳米颗粒所吸收的染料量来增加所产生的电子的数目和所吸收的太阳光量，并且需要避免所产生的激发电子通过电子-空穴再结合而被消灭。
目前存在多种方法，例如，制造具有纳米尺寸的氧化物半导体颗粒以增加每单位面积所吸收的染料量的方法、增大铂电极的反射率以增加所吸收的日光量的方法、以及将几个微米尺寸的若干半导体氧化物散射剂相混合的方法。
然而，这些常规方法在改善太阳能电池的光电转化效率方面已经达到了极限。因此，目前迫切需要开发新的技术来改善效率。
发明内容
本发明的一个方面在于提供具有极佳的光电转化效率和极佳的寿命的用于染料敏化太阳能电池的染料，以及包括该染料的太阳能电池。
根据本发明一实施方式的用于染料敏化太阳能电池的各个染料均可具有以下化学结构1。
[化学结构1]
在上述结构中，各个X和Y均可包括取代基，所述取代基包括分别独立地被取代或未取代的芳香烃基、取代或未取代的芳香杂环基、及其组合；Z可包括取代或未取代的芳香烃基、取代或未取代的杂环基、乙烯基、以及取代或未取代的聚乙烯基；并且A可包括酸功能基。
附图说明
现在结合附图详细地描述本发明的实现，在附图中，同样的标记涉及同样的部件。
图1为示出了根据本发明一实施方式的染料敏化太阳能电池的简图。
具体实施方式
以下，结合附图详细描述本发明的实现。
根据本发明一实施方式的用于染料敏化太阳能电池的各种染料均可具有以下化学结构1。
[化学结构1]
在上述结构中，各个X和Y均可包括取代基，所述取代基包括分别独立地被取代或未取代的芳香烃基、取代或未取代的芳香杂环基、及其组合；Z可包括取代或未取代的芳香烃基、取代或未取代的杂环基、乙烯基、以及取代或未取代的聚乙烯基；并且A可包括酸功能基。
X和Y中的至少一个可包括含氟基团(fluoric group)。
各个X和Y均可包括取代基，所述取代基包括碳原子数为5～20个且独立地被取代或未取代的芳香烃基、取代或未取代的芳香杂环基、及其组合。在此，X和Y中的至少一个可包括含氟基团。
各个X和Y均可包括取代基，所述取代基选自于由烷基、烷氧基、芳基、亚芳基、亚烃基、及其组合所组成的群组中。
Z可包括取代基，所述取代基选自于由噻吩、乙烯基、聚乙烯基、苯、萘、蒽、芴、联苯、吡喃、吡咯、咔唑、及其组合所组成的群组中。
Z可包括取代基，所述取代基选自于由烷基、烷氧基、芳基、烯基、亚芳基、亚烃基、及其组合所组成的群组中。
A可包括取代基，所述取代基选自于由羧酸基团、亚磷酸基团(phosphorousacid groups)、磺酸基团(sulfon acid groups)、次膦酸基团(phosphinic acidgroups)、羟基烃酸基团、氧羧酸(oxycarboxy acids)、酰胺、及其组合所组成的群组中。
X-N-Y可包括以下化合物中的任何一个。
Figure G2009101648364D0000041
在上述化合物中，R可包括烷基或者三甲基甲硅烷基，更确切地说，H或C1至C8；
Figure G2009101648364D0000051
在上述化合物中，R可包括烷基或三甲基甲硅烷基，更确切地说，H、F或者C1至C8；以及
Figure G2009101648364D0000061
在上述化合物中，R1和R2可包括烷基、烷氧基、以及烯基，更确切地说，H或者C1至C8。
根据本发明一实施方式的染料敏化太阳能电池可包括上述染料。
X和Y中的至少一个可包括用烷基或芳基取代的硅烷衍生物。
各个X和Y均可包括取代基，所述取代基包括碳原子数为5至20个且独立地被取代或未取代的芳香烃基、取代或未取代的芳香杂环基、及其组合。在该情况下，X和Y中的至少一个可包括用烷基、烷氧基、芳基、烯基、亚芳基、以及亚烃基取代的硅烷衍生物。
各个X和Y均可包括选自烷基、烷氧基、芳基、亚芳基、亚烃基、及其组合的取代基。
Z可包括选自噻吩、乙烯基、聚乙烯基、苯、萘、蒽、芴、联苯、吡喃、吡咯、咔唑、及其组合的取代基。
Z可包括选自烷基、烷氧基、芳基、烯基、亚芳基、亚烃基、及其组合的取代基。
A可包括选自羧酸基团、亚磷酸基团、磺酸基团、次膦酸基团、羟基烃酸基团、氧羧酸、及其组合的取代基。
X-N-Y可包括以下化合物中的任何一个。
Figure G2009101648364D0000071
在上述化合物中，R可包括烷基、烷氧基、芳基、烯基、亚芳基、或者亚烃基，这些取代基分别独立地为H或C1至C8；
Figure G2009101648364D0000072
在上述化合物中，R可包括烷基、烷氧基、芳基、烯基、亚芳基、或者亚烃基，这些取代基分别独立地为H或C1至C8；
Figure G2009101648364D0000081
在上述化合物中，R可包括烷基、烷氧基、芳基、烯基、亚芳基、或者亚烃基，这些取代基分别独立地为H或C1至C8；
Figure G2009101648364D0000082
在上述化合物中，R可包括烷基、烷氧基、芳基、烯基、亚芳基、或者亚烃基，这些取代基分别独立地为H或C1至C8；以及
Figure G2009101648364D0000091
在上述化合物中，各个R1和R2均可包括烷基、烷氧基、芳基、烯基、亚芳基、或者亚烃基，这些取代基为H或C1至C8。
根据本发明一实施方式的染料敏化太阳能电池可包括上述染料。
以下，参照附图描述本发明的实施方式。
图1为示出了根据本发明一实施方式的染料敏化太阳能电池的简图。
参照图1，染料敏化太阳能电池100具有夹层结构，在该夹层结构中，第一电极120和第二电极140按照薄板形式彼此接合。更具体而言，染料敏化太阳能电池100可具有以下结构：第一电极120位于第一基板110之上，第二电极140在与第一电极120相对的第二基板150之上，与第一电极120相对。
光吸收层130可设置在第一电极120和第二电极140之间。光吸收层130可包括电解质131、半导体量子点132、以及被吸收到半导体量子点132上的染料133。
第一基板110可是由玻璃或者塑料制成的，但是只要所用材料具有为了使外部光能够入射在其上的透明度就不特别限于任何材料。在该情况下，塑料可包括，例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、聚酰亚胺(PI)、三乙酸纤维素(TAC)或者它们的共聚物。
第一基板110可用选自钛、铟、镓以及铝的任何材料进行掺杂。
第一电极120可包括导电金属氧化物层。
所述导电金属氧化物层可选自氧化铟锡(ITO)、氧化氟锡(FTO)、ZnO-(Ga2O3或者Al2O3)、氧化锡、氧化锑锡(ATO)、氧化锌(ZnO)、及其混合物。F:SnO2作为首要使用的导电金属氧化物层。
光吸收层130可包括电解质131、半导体量子点132、以及染料133。
可将氧化还原电解质用作电解质131。更具体而言，该氧化还原电解质可包括：卤素氧化-还原体系电解质，该卤素氧化-还原体系电解质包括卤素化合物和卤素分子，其具有卤素离子作为大离子；金属氧化-还原体系电解质，例如亚铁氰化物-亚铁氰化物或者二茂铁-二茂铁离子(ferricenium ion)和诸如钴络合物的金属络合物；以及有机氧化-还原体系电解质，例如烷基硫醇-烷基二硫化物、紫精染料、以及氢醌-苯醌。可优选使用卤素氧化-还原体系电解质作为电解质131。
在包括卤素化合物-卤素分子的卤素氧化-还原体系电解质中，卤素分子可优先包括碘分子。此外，具有作为大离子的卤素离子的卤素化合物可包括金属卤化物盐，例如LiI、NaI、CaI2、MgI2以及CuI；卤素的有机铵盐，例如四烷基碘化铵、碘化咪唑(imidazoliumiodine)、以及碘化吡啶(pyridiniumiodine)；或者I2。
在氧化还原电解质是包含氧化还原电解质的溶液的形式的情况下，氧化还原电解质可具有就电池化学性质而言为惰性的溶剂。氧化还原电解质的溶剂可包括，例如，乙腈、丙烯碳酸酯、乙烯碳酸酯、3-甲氧基丙腈、甲氧基乙腈、乙二醇、丙二醇、二甘醇、三甘醇、丁内酯、二甲氧基乙烷、碳酸二甲酯(dimethylcarbonate)、1，3-二氧戊环、甲酸甲酯、2-甲基四氢呋喃、3-甲氧基-噁唑烷-2-酮、环丁砜、四氢呋喃、以及水。特别是，可优先使用乙腈、丙烯碳酸酯、乙烯碳酸酯、3-甲氧基丙腈、乙二醇、3-甲氧基-噁唑烷-2-酮、以及丁内酯作为溶剂。可将上述溶剂单独使用或者组合使用。
不仅可使用以硅为代表的单一半导体作为半导体量子点132，还可使用化合物半导体或者具有钙钛矿型结构的化合物作为半导体量子点132。
所述半导体可包括n型半导体，在该n型半导体中，导带中的电子成为处于激发态的载体，由此提供阳极电流。可使用选自钛、锡、锌、钨、锆、镓、铟、钇、铌、钽、以及钒的金属氧化物作为化合物半导体。可优先使用氧化钛、氧化锡、氧化锌、氧化铌、氧化钛、锶、或其混合物作为化合物半导体。可优先使用锐钛矿型的氧化钛作为化合物半导体。这些半导体的类型并不受限制，而是可单独使用或者组合使用。
各个半导体量子点132均可具有1至500nm的平均直径，更特别地，1至100nm。此外，一些半导体量子点132可具有较大的直径，而其余部分的半导体量子点132可具有较小的直径。作为选择，半导体量子点142可具有多层。
半导体量子点132可使用以下方法来形成：通过喷雾在基板上直接形成薄膜形式的半导体量子点的方法、使用基板作为电极电沉积半导体量子点的薄膜的方法、或者在基板上涂覆包括量子点的糊剂，然后对该糊剂进行干燥、固化或者烧结的方法，所述量子点的糊剂能够通过水解半导体量子点或者其前驱物的浆液所获得。
可将用于通过吸收外部光来产生激发电子的染料133吸收在各个半导体量子点132的表面上。
光吸收层130的厚度可为15μm或者小于15μm，更特别地，1至15μm。
第二电极140可位于光吸收层130之上。第二电极140可包括透明电极141和催化剂电极142。
透明电极141可以是由诸如氧化铟锡、氧化氟锡、氧化锑锡、氧化锌、氧化锡、或者ZnO(Ga2O3或Al2O3)的透明材料所构成。
催化剂电极142用于激活氧化还原耦。铂、金、钌、钯、铑、铱、锇、碳、氧化钛、或者例如导电聚合物的导电材料可用作催化剂电极142。
此外，为了改善氧化-还原作用的催化剂作用，与第一电极120相对的催化剂电极142可具有微结构，由此增加表面面积。例如，铅或者金可具有无镀层态(black state)，而碳可具有多孔态。具体地，可使用铂的阳极氧化方法或者氯铂酸处理来形成铂的无镀层态，或者可使用例如碳量子点的烧结或者有机聚合物的固化来形成碳的多孔态。
如第一基板110中一样，第二基板150可是由玻璃或塑料形成。塑料可包括，例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚丙烯、聚酰亚胺、以及三乙酸纤维素。
如果日光入射到具有上述构造的染料敏化太阳能电池100上，则首先由光吸收层130内的染料133来吸收光量子。因此，染料133的电子从基态转变到激发态，由此产生电子-空穴对。激发态的电子被注入到各个半导体量子点132的界面上的导带内。将注入的电子经由界面转移到第一电极120，然后经由外部电路移动至第二电极140(即，反电极)。
同时，作为电子转移的结果而被氧化的染料133被电解质131内的氧化-还原耦的离子所还原。还原反应在已经到达第二电极140界面的电子和氧化离子之间产生，以形成电荷中性。因此，运转了染料敏化太阳能电池100。
以下详细描述根据本发明一实施方式的用于染料敏化太阳能电池中的染料133。
根据本发明一实施方式的用于染料敏化太阳能电池的各种染料均可具有以下化学结构1。
[化学结构1]
在上述结构中，各个X和Y均可包括取代基，所述取代基包括分别独立地被取代或未取代的芳香烃基、取代或未取代的芳香杂环基、及其组合；Z可包括取代或未取代的芳香烃基、取代或未取代的杂环基、乙烯基、以及取代或未取代的聚乙烯基；并且A可包括酸功能基。
进一步地，各个X和Y均可包括取代基，所述取代基包括碳原子数为5至20个且独立地被取代或未取代的芳香烃基、取代或未取代的芳香杂环基、及其组合。在该情况下，X和Y中的至少一个可包括含氟基团。
所述杂环基可选自于包括吡喃、吡咯、噻吩、咔唑及其组合的取代基。
各个X和Y均可包括选自噻吩、乙烯基、聚乙烯基、苯、萘、蒽、芴、联苯、吡喃、吡咯、咔唑、及其组合的取代基。
Z可包括选自噻吩、乙烯基、聚乙烯基、苯、萘、蒽、芴、联苯、吡喃、吡咯、咔唑、及其组合的取代基。
Z可包括选自烷基、烷氧基、芳基、烯基、亚芳基、亚烃基、及其组合的取代基。
在该情况下，各个烷基均可包括碳原子数为1至20个且被取代或未取代的烷基。各个烷氧基均可具有1至20个碳原子数并且可进行包含氧的取代或者非取代。可将所述芳基单独使用或者组合使用。各个芳基均可为碳环芳香化合物，例如苯基、萘基、四氢化萘基、或者联苯基。碳环芳香化合物可具有6至30个碳原子数并且具有一个或多个环。各个亚烃基可具有原子团形式(radical shape)，在其中一个烷基的两个末端能够彼此结合。在此，所述烷基与上述的烷基相同。
A可包括选自羧酸基团、亚磷酸基团、磺酸基团、次膦酸基团、羟基烃酸基团、氧羧酸、酰胺、及其组合所组成的群组中选择的取代基。
X-N-Y可包括以下化合物中的任何一个。
Figure G2009101648364D0000131
在上述化合物中，R可包括烷基或者三甲基甲硅烷基，更确切地说，H或C1至C8；
Figure G2009101648364D0000141
在上述化合物中，R可包括烷基或者三甲基甲硅烷基，更确切地说，H、F或C1至C8；以及
Figure G2009101648364D0000142
在上述化合物中，R1和R2可包括烷基、烷氧基、以及烯基，更确切地说，H或C1至C8。同时，以下详细描述根据本发明另一实施方式的用于染料敏化太阳能电池中的染料133
根据本发明另一实施方式的用于染料敏化太阳能电池的各个染料均可具有以下化学结构1。
[化学结构1]
在上述结构中，各个X和Y均可包括取代基，所述取代基包括分别独立地被取代或未取代的芳香烃基、取代或未取代的芳香杂环基、及其组合。
在该情况下，各个芳香烃基均可包括取代基，所述取代基包括苯、萘、蒽、芴、联苯、及其组合。所述杂环基可选自包括吡喃、吡咯、噻吩、咔唑、及其组合的取代基。
进一步地，X和Y中的至少一个可包括用烷基或芳基取代的硅烷衍生物。各个X和Y均可为取代基，所述取代基包括碳原子数为5至20个并且分别独立地取代或未取代的芳香烃基、取代或未取代的芳香杂环基、及其组合。在该情况下，X和Y中的至少一个可包括用烷基、烷氧基、芳基、烯基、亚芳基或亚烃基取代的硅烷衍生物。
进一步地，各个X和Y均可包括选自烷基、烷氧基、芳基、亚芳基、亚烃基、及其组合的取代基。各个烷基均可选自于包括分别具有1至20个碳原子数并且已取代或未取代的烷基的取代基。各个烷氧基均可选自于包括烷氧基的取代基，所述烷氧基包含氧并且分别具有碳原子数为1至20个且取代或未取代的烷基。可将所述芳基单独使用或者结合使用。芳基可为碳环芳香化合物，例如苯基、萘基、四氢化萘基、茚满(indane)或者联苯基。各个芳基均可具有6至30个碳原子数并且包括一个或多个环。各个亚烃基均可具有原子团形式，其中一个烷基的两个末端可彼此接合。在此，所述烷基与上述烷基相同。
Z可包括取代或者未取代的芳香烃基、取代或未取代的杂环基、乙烯基、或者取代或者未取代的聚乙烯基。更具体地，Z可包括选自噻吩、乙烯基、聚乙烯基、苯、萘、蒽、芴、联苯、吡喃、吡咯、咔唑及其组合的取代基。进一步，Z可包括选自烷氧基、芳基、烯基、亚芳基、亚烃基、及其组合的取代基。
A可包括酸功能基，或者可包括选自羧酸基团、亚磷酸基团、磺酸基团、次膦酸基团、羟基烃酸基团、氧羧基、及其组合的取代基。
此外，X-N-Y可包括以下化合物中的任何一种。
Figure G2009101648364D0000161
在上述化合物中，R可包括烷基、烷氧基、芳基、烯基、亚芳基、或者亚烃基，这些取代基分别独立地为H或C1至C8。
Figure G2009101648364D0000162
在上述化合物中，R可包括烷基、烷氧基、芳基、烯基、亚芳基、或者亚烃基，这些取代基分别独立地为H或C1至C8；
Figure G2009101648364D0000171
在上述化合物中，R可包括烷基、烷氧基、芳基、烯基、亚芳基、或者亚烃基，这些取代基分别独立地为H或C1至C8；
Figure G2009101648364D0000172
在上述化合物中，R可包括烷基、烷氧基、芳基、烯基、亚芳基、或者亚烃基，这些取代基分别独立地为H或C1至C8；
Figure G2009101648364D0000181
在上述化合物中，R1和R2可包括烷基、烷氧基、芳基、烯基、亚芳基、或者亚烃基，这些取代基为H或C1至C8。
以下，为了有助于理解本发明，描述了一些实施方式。然而，以下实施方式仅用于说明本发明，而本发明并不限于以下实施方式。
实施方式1：染料的合成1
通过以下反应，合成根据本发明一实施方式的用于染料敏化太阳能电池的染料。
Figure G2009101648364D0000182
1)4-丁基-N-(2，4-二氟苯基)苯胺的制备
在250ml三颈圆底烧瓶中，将2，4-二氟苯胺(44mmol)、1-溴-4-丁基苯(30mmol)、醋酸钯(II)(0.4mmol)、2，2′-二(二苯基膦基)-1，1′-联萘(0.9mmol)、以及叔丁醇钾(44mmol)溶解于甲苯(100ml)中，然后在100℃的浴锅中搅拌24小时。反应结束之后，从溶液中去除甲苯。在使用二氯甲烷和水对溶液进行萃取之后，减压蒸馏所得溶液。进行硅胶柱色谱之后，减压蒸馏溶剂，由此获得0.3g的4-丁基-N-(2，4-二氟苯基)苯胺液体。
2)4-(N-(4-丁基苯基)-N-(2，4-二氟苯基)氨基)苯甲醛的制备
在250ml三颈圆底烧瓶中，将4-丁基-N-(2，4-二氟苯基)苯胺(30mmol)、4-溴苯甲醛(34mmol)、三(二亚苄基丙酮)二钯(O)(0.5mmol)、三叔丁基膦(0.9mmol)、以及叔丁醇钠(40mmol)溶解于甲苯(100ml)中，然后在100℃的浴锅中搅拌24小时。反应结束之后，从溶液中去除甲苯。在使用二氯甲烷和水对溶液进行萃取之后，减压蒸馏所得溶液。进行硅胶柱色谱之后，减压蒸馏溶剂，由此获得7.1g的4-(N-(4-丁基苯基)-N-(2，4-二氟苯基)氨基)苯甲醛液体。
3)N-(4-丁基苯基)-N-(2，4-二氟苯基)-4-(-2-(噻吩-2-1)乙烯基)苯胺的制备
在其上安装有100ml滴液漏斗的250ml三颈圆底烧瓶中，将叔丁醇钠(30mmol)溶解于无水四氢呋喃(无水THF)(100ml)中。将甲基三苯基磷盐(27mmol)缓慢加入该溶液中。在溶液的颜色改变至深红色之后再没有颜色变化时，将4-(N-(4-丁苯基)-N-(2，4-二氟苯基)氨基)苯甲醛溶解于无水四氢呋喃(30ml)中，然后缓慢滴入。将所得溶液在室温下搅拌大约12小时之后，从溶液中去除无水四氢呋喃。在使用二氯甲烷和n-己烷经过硅胶柱之后，减压蒸馏溶剂。使用二氯甲烷和n-己烷对所得溶液进行重结晶，然后过滤，由此获得8.4g的N-(4-丁苯基)-N-(2，4-二氟苯基)-4-(-2-(噻吩-2-1)乙烯基)苯胺固体。
4)5-(4-(N-(4-丁基苯基)-N-(2，4-二氟苯基)氨基)苯乙烯基)噻吩-2-甲醛的制备
在其上安装有100ml滴液漏斗的100ml三颈圆底烧瓶中，在将DMF(5ml)溶解于无水二氯甲烷(30ml)中之后，使用冰浴将该烧瓶冷却至0℃，然后搅拌该溶液。使用注入器将三氯氧磷(26mmol)缓慢滴入冷却后的溶液中，搅拌30分钟，然后升至室温。在滴液漏斗中将N-(4-丁苯基)-N-(2，4-二氟苯基)-4-(-2-(噻吩-2-1)乙烯基)苯胺(17mmol)溶解于无水二氯甲烷(20mml)中。使用注入器将该溶解后的溶液注入并随后缓慢滴入三颈烧瓶的溶液中。将所得溶液加热至回流温度。在大约12小时冷却溶液的温度。将2N氢氧化钠水溶液滴入，直至使用pH试纸检测呈中性。使用二氯甲烷和水萃取该溶液，然后减压蒸馏。经过硅胶柱以后，减压蒸馏溶剂，由此获得3.5g的5-(4-(N-(4-丁基苯基)-N-(2，4-二氟苯基)氨基)苯乙烯基)噻吩-2-甲醛固体。
5)3-(5-(4-(N-(4-丁基苯基)-N-(2，4-二氟苯基)氨基)苯乙烯基)噻吩-2-1)-2-氰基丙烯酸的制备
在100ml三颈圆底烧瓶中，将5-(4-(N-(4-丁基苯基)-N-(2，4-二氟苯基)氨基)苯乙烯基)噻吩-2-甲醛(2.9mmol)、2-氰基乙酸(4.3mmol)、以及哌啶(7mmol)溶解于乙腈(50ml)中，然后回流12小时。反应结束之后，从溶液中去除乙腈。将该溶液溶解于少量的二氯甲烷中。经过硅胶柱之后，减压蒸馏溶剂。将溶液在甲醇中沉淀，然后过滤，由此获得2.1g的3-(5-(4-(N-(4-丁基苯基)-N-(2，4-二氟苯基)氨基)苯乙烯基)噻吩-2-1)-2-氰基丙烯酸固体。
实施方式2：染料的合成2
通过以下反应，合成根据本发明另一实施方式的用于染料敏化太阳能电池的染料。
Figure G2009101648364D0000211
1)4-(三甲基甲硅烷基)-N-苯基苯胺的制备
在250ml三颈圆底烧瓶中，将苯胺(127.5mmol)、(4-溴代苯基)三甲基硅烷(102mmol))、三(二亚苄基丙酮)二钯(O)(1.53mmol)、BINAP(2，2′-二(二苯基膦基)-1，1′-联萘(3.06mmol)、以及叔丁醇钠(132.6mmol)溶解于甲苯(100ml)中，然后在100℃的浴锅中搅拌24小时。反应结束之后，从溶液中去除甲苯。在使用二氯甲烷和水对溶液进行萃取之后，减压蒸馏所得溶液。进行硅胶柱色谱之后，减压蒸馏溶剂，由此获得0.3g的4-(三甲基甲硅烷基)-N-苯基苯胺液体。
2)4-(N-(4-(三甲基甲硅烷基)苯基)-N-苯基氨基)苯甲醛的制备
在250ml三颈圆底烧瓶中，将4-(三甲基甲硅烷基)-N-苯基苯胺(22.8mmol)、4-溴苯甲醛(29.64mmol)、三(二亚苄基丙酮)二钯(O)(0.342mmol)、三叔丁膦(0.684mmol)、以及叔丁醇钠(29.64mmol)溶解于甲苯(100ml)中，然后在100℃的浴锅中搅拌24小时。反应结束之后，从溶液中去除甲苯。在使用二氯甲烷和水对溶液进行萃取之后，减压蒸馏所得溶液。进行硅胶柱色谱之后，减压蒸馏溶剂，由此获得4.1g的4-(N-(4-(三甲基甲硅烷基)苯基)-N-苯基氨基)苯甲醛液体。
3)N-(4-(三甲基甲硅烷基)苯基)-N-苯基-4-乙烯基苯胺的制备
在其上安装有100ml滴液漏斗的250ml三颈圆底烧瓶中，将叔丁醇钠(19mmol)溶解于无水四氢呋喃(无水THF)(100ml)中。将甲基三苯基溴化膦(17.8mmol)缓慢加入该溶液中。在溶液的颜色改变至深黄色之后再没有颜色变化时，将4-(N-(4-(三甲基甲硅烷基)苯基)-N-苯基氨基)苯甲醛溶解于无水四氢呋喃(30ml)中，然后缓慢滴入。将所得溶液在室温下搅拌大约12小时之后，从溶液中去除无水四氢呋喃。在使用二氯甲烷和n-己烷进行硅胶柱之后，减压蒸馏溶剂，由此获得3.0g的N-(4-(三甲基甲硅烷基)苯基)-N-苯基-4-乙烯基苯胺固体。
4)N-((4-(三甲基甲硅烷基)苯基)-N-苯基-4-(4-氨基苯乙烯基)苯甲醛的制备
在100ml双颈圆底烧瓶中，将N-(4-(三甲基甲硅烷基)苯基)-N-苯基-4-乙烯基苯胺(8.7mmol)、4-溴苯甲醛(17.4mmol)、2，6-二叔丁基甲酚(0.87mmol)、叔丁醇钠(9.57mmol)、以及反式-双(μ-乙酸根合)二[(二-o-甲苯基膦基)苄基]-二钯(II)(CAS No.172418-32-5)(0.087mmol)溶解于N，N-二甲基乙酰胺(50ml)中，然后在80℃的浴锅中搅拌24小时。反应结束之后，使用硅胶和氟镁石对溶液进行玻璃滤过。使用减压蒸馏来去除N，N-二甲基乙酰胺。然后，使用二氯甲烷和n-己烷经过硅胶柱之后，减压蒸馏溶剂，由此获得1.9g的N-((4-(三甲基甲硅烷基)苯基)-N-苯基-4-(4-氨基苯乙烯基)苯甲醛固体。
5)N-((4-三甲基甲硅烷基)苯基)-N-苯基-4-((4-氨基苯乙烯基)-2-氰基)-3-苯丙烯酸的制备
在100ml双颈圆底烧瓶中，将N-((4-(三甲基甲硅烷基)苯基)-N-苯基-4-(4-氨基苯乙烯基)苯甲醛(4.2mmol)、2-氰基乙酸(6.3mmol)、以及哌啶(10.5mmol)溶解于乙腈(50ml)中，然后回流12小时。反应结束之后，去除乙腈。使用二氯甲烷和甲醇经过硅胶柱之后，减压蒸馏溶剂。将所得物在甲醇中沉淀，然后过滤，由此获得2.1g的N-((4-三甲基甲硅烷基)苯基)-N-苯基-4-((4-氨基苯乙烯基)-2-氰基)-3-苯丙烯酸固体。
实施方式3：染料敏化太阳能电池的制备
(1)任务电极(task electrode)的制造
将FTO玻璃(涂覆有掺氟氧化锡的传导玻璃，Pilkington，TEC7)切割成具有1.5cm×1.5cm的尺寸。使用玻璃清洁去垢剂通过超声波分解清洗10分钟来清洗切割后的玻璃。使用蒸馏水从FTO玻璃上完全去除肥皂水。然后使用乙醇通过超声波分解清洗15分钟来清洗FTO玻璃两次。使用无水乙醇充分冲洗所得的FTO玻璃，然后在100℃的烤箱中干燥。为了改善与TiO2的接触力，将FTO玻璃在70℃的温度下在氯化钛(IV)溶液(40mM)中浸渍40分钟，然后用蒸馏水清洗。将FTO玻璃在100℃的烤箱中充分干燥。然后，使用丝网印刷机，将二氧化钛(TiO2)糊(18-NR，CCIC公司提供)以9mm×9mm掩模(200筛孔)的形式涂覆在FTO玻璃上。将涂覆膜在100℃的烤箱中干燥20分钟。将上述工艺重复执行三次。然后将涂覆膜在450℃的温度下固化60分钟，由此获得大约10μm厚度的TiO2膜。在TiO2膜上执行退火工序，然后将其在浓度为0.5mM的合成染料的无水乙醇溶液中浸渍24小时，由此可将染料吸收到TiO2膜中(在染料不溶解于无水乙醇溶液中的情况下，可使用能够溶解染料的溶剂)。在完成吸收之后，将没有被无水乙醇溶液吸收的染料完全清洗掉，然后使用热气枪进行干燥。
(2)反电极的制造
使用Φ0.7mm-金刚石钻头(Dremel multipro395)，在尺寸为1.5cm×1.5cm的FTO玻璃上钻两个孔，电解液会进入该孔。使用与在任务电极中介绍的方法相同的清洗方法清洗FTO玻璃，然后进行干燥。然后，将六氯氢铂(H2PtCl6)2-丙醇溶液涂覆在FTO玻璃上，然后在450℃的温度下固化60分钟。
(3)夹层电池的制造
将沙林(surlyn，SX1170-25Hot Melt)切割成方带形，放置在任务电极和反电极之间。使用夹子和烤箱将两个电极彼此接合。将电解液通过反电极的两个小孔注入到该接合后的电极中。使用沙林带和盖玻璃密封所得的电极，由此制成夹层电池。在该情况下，使用0.1M LiI、0.05M I2、0.6M 1-己基-2，3-二甲基咪唑碘化物(1-hexyl-2，3-dimethylimideazoliumiodid)、以及0.5M 4-叔-丁基吡啶作为3-甲氧基丙腈溶剂，制备电解质溶液。
(4)光电流-电压的测量
使用M236源测量单元(SMU，Keithley Instruments Inc.)，通过使用其上安装有AM 1.5日光模拟滤光器的氙灯(Oriel 300W Xe arc lamp，NewportCorporation提供)来将光照射到如上制造的夹层电池上，以获得电流-电压曲线。电压的范围为从-0.8V至0.2V，光强为100mW/cm2。
以下描述根据上述实施方式制造的各个太阳能电池的实验实施例。
<实验实施例1>
使用具有以下化学结构2的染料，制造太阳能电池。
[化学结构2]
Figure G2009101648364D0000241
<实验实施例2>
使用具有以下化学结构3的染料，制造太阳能电池。
[化学结构3]
Figure G2009101648364D0000242
<实验实施例3>
使用具有以下化学结构4的染料，制造太阳能电池。
[化学结构4]
Figure G2009101648364D0000251
<实验实施例4>
使用具有以下化学结构5的染料，制造太阳能电池。
[化学结构5]
Figure G2009101648364D0000252
<实验实施例5>
使用具有以下化学结构6的染料，制造太阳能电池。
[化学结构6]
Figure G2009101648364D0000253
<实验实施例6>
使用具有以下化学结构7的染料，制造太阳能电池。
[化学结构7]
Figure G2009101648364D0000261
<比较实施例>
使用具有以下化学结构8的染料，制造太阳能电池。
[化学结构8]
Figure G2009101648364D0000262
测量并且在下表1中列出根据实验实施例1～6以及比较实施例制造的各个染料敏化太阳能电池的Jsc(短路光电流密度)、Voc(断路电压)、FF(填充因数)、以及光电转换效率(PCE)。在此，在同样条件下对上述各个实验实施例和比较实施例的测量进行2次。
表1
Figure G2009101648364D0000271
从上述表1中，可看出，根据本发明的实验实施例1～6所制造的各个太阳能电池具有与比较实施例相当的断路电压(Voc)，并且其光电转换效率(PCE)为使用现今效率最高的染料(N719)的比较实施例的光电转换效率的80％。
因此，根据本发明实施方式的用于染料敏化太阳能电池的染料以及包括该染料的太阳能电池的优点在于它们与传统的有机金属太阳能电池相比能够非常便宜地制得，然而其光电转换效率却能够与传统有机金属太阳能电池的光电转换效率相当，并且其寿命还能够比有机金属染料的寿命更长。
尽管已结合目前认为可行的示例性实施方式描述了本发明，但是应当理解本发明并不限于这些公开的实施方式，却反而意欲覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等价配置。

Claims (17)

1.用于染料敏化太阳能电池的染料，各个染料均具有以下化学结构1，
[化学结构1]
Figure F2009101648364C0000011
在上述结构中，各个X和Y均包括取代基，所述取代基包括分别独立地被取代或未取代的芳香烃基、取代或未取代的芳香杂环基、及其组合；Z包括取代或未取代的芳香烃基、取代或未取代的杂环基、乙烯基、以及取代或未取代的聚乙烯基；并且，A包括酸功能基。
2.根据权利要求1的用于染料敏化太阳能电池的染料，其中，X和Y中的至少一个包括含氟基团。
3.根据权利要求2的用于染料敏化太阳能电池的染料，其中：
各个X和Y均包括取代基，所述取代基包括碳原子数为5～20个且独立地取代或未取代的芳香烃基、取代或未取代的芳香杂环基、及其组合；以及
X和Y中的至少一个包括含氟基团。
4.根据权利要求2的用于染料敏化太阳能电池的染料，其中，各个X和Y均包括选自烷基、烷氧基、芳基、亚芳基、亚烃基、及其组合的取代基。
5.根据权利要求2的用于染料敏化太阳能电池的染料，其中，Z包括选自噻吩、乙烯基、聚乙烯基、苯、萘、蒽、芴、联苯、吡喃、吡咯、咔唑、及其组合的取代基。
6.根据权利要求2的用于染料敏化太阳能电池的染料，其中，Z包括选自烷基、烷氧基、芳基、烯基、亚芳基、亚烃基、及其组合的取代基。
7.根据权利要求2的用于染料敏化太阳能电池的染料，其中，A包括选自羧酸基团、亚磷酸基团、磺酸基团、次膦酸基团、羟基烃酸基团、氧羧酸、酰胺、及其组合的取代基。
8.根据权利要求2的用于染料敏化太阳能电池的染料，其中，所述X-N-Y包括以下化合物的任何一个，
Figure F2009101648364C0000021
在上述化合物中，R包括烷基或者三甲基甲硅烷基，更确切地，H或C1至C8；
Figure F2009101648364C0000031
在上述化合物中，R包括烷基或者三甲基甲硅烷基，更确切地，H或C1至C8；以及
Figure F2009101648364C0000032
在上述化合物中，R1和R2包括烷基、烷氧基、或者烯基，更确切地，H或C1至C8。
9.一种染料敏化太阳能电池，包括根据权利要求2的染料。
10.根据权利要求1的用于染料敏化太阳能电池的染料，其中，X和Y中的至少一个包括用烷基或芳基取代的硅烷衍生物。
11.根据权利要求10的用于染料敏化太阳能电池的染料，其中：
各个X和Y均包括取代基，所述取代基包括碳原子数为5～20个且独立地取代或未取代的芳香烃基、取代或未取代的芳香杂环基、及其组合；以及
X和Y中的至少一个包括用烷基、烷氧基、芳基、烯基、亚芳基、以及亚烃基所取代的硅烷衍生物。
12.根据权利要求10的用于染料敏化太阳能电池的染料，其中，各个X和Y均包括选自烷基、烷氧基、芳基、亚芳基、亚烃基、及其组合的取代基。
13.根据权利要求10的用于染料敏化太阳能电池的染料，其中，Z包括选自噻吩、乙烯基、聚乙烯基、苯、萘、蒽、芴、联苯、吡喃、吡咯、咔唑、及其组合的取代基。
14.根据权利要求10的用于染料敏化太阳能电池的染料，其中，Z包括选自烷基、烷氧基、芳基、烯基、亚芳基、亚烃基、及其组合的取代基。
15.根据权利要求10的用于染料敏化太阳能电池的染料，其中，A包括选自羧酸基团、亚磷酸基团、磺酸基团、次膦酸基团、羟基烃酸基团、氧羧酸、酰胺、及其组合的取代基。
16.根据权利要求10的用于染料敏化太阳能电池的染料，其中，所述X-N-Y包括以下化合物中的任何一个：
Figure F2009101648364C0000051
在上述化合物中，R包括烷基、烷氧基、芳基、烯基、亚芳基、或者亚烃基，这些取代基分别独立地为H或C1至C8；
Figure F2009101648364C0000052
在上述化合物中，R包括烷基、烷氧基、芳基、烯基、亚芳基、或者亚烃基，这些取代基分别独立地为H或C1至C8；
Figure F2009101648364C0000061
在上述化合物中，R包括烷基、烷氧基、芳基、烯基、亚芳基、或者亚烃基，这些取代基分别独立地为H或C1至C8；
Figure F2009101648364C0000062
在上述化合物中，R包括烷基、烷氧基、芳基、烯基、亚芳基、或者亚烃基，这些取代基分别独立地为H或C1至C8；以及
Figure F2009101648364C0000071
在上述化合物中，各个R1和R2均包括烷基、烷氧基、芳基、烯基、亚芳基、或者亚烃基，这些取代基分别独立地为H或C1至C8。
17.一种染料敏化太阳能电池，包括根据权利要求10的染料。
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