CN104529988B - 一种对高原天然染料敏化剂进行化学修饰的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体地说是涉及用于染料敏化太阳能电池的高原天然染料敏化剂的改性。本发明方法包括干燥粉碎步骤、浸泡得金莲花色素原液步骤、金莲花色素原液浓缩步骤、去除浓缩溶剂步骤、酯化反应步骤、去除酯化反应溶剂步骤、萃取提纯步骤。本发明充分利用青藏高原海拔高、紫外线照射时间长的地理特点，选取含有花青素的青藏高原植物，从中提取用于染料敏化太阳能电池的高原天然染料敏化剂，并对其进行化学修饰。这种进行过化学修饰的高原天然染料敏化剂一方面提高了高原天然染料敏化太阳能电池的稳定性，另一方面提高了电池的开路电压和光电转换效率，并且化学修饰过程简单、易控等优点，有较好的市场发展前景。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体地说是涉及染料敏化太阳能电池的高原天然染料敏化剂的改性。
背景技术
染料敏化太阳能电池（Dye-sensitizedsolarcell，简称DSC），又叫“Gratzel”电池，是1991年瑞士洛桑联邦理工（EPFL）的M·Gratzel教授的团队发明的一种新型高效太阳能电池。不仅制作工艺非常简单，而且不需要昂贵又耗能的高温处理和高真空加工，因此器件的生产成本十分低廉，据估计仅硅基太阳能电池的1∕5左右。DSC的理论转换效率很同，可达33%，超过单晶硅基太阳能电池的理论转换效率。基于以上原因，DSC也因而被认为是传统硅基电池的有力竞争者与替代者，在全球学术界与工业界吸引着越来越多的研究热情。
染料敏化太阳能电池（DSC）是模拟植物光合作用进行光电转换的一种电池，其中染料敏化剂是DSC的关键组成部分，它吸附于纳米多孔TiO2薄膜的粒子，吸收太阳光产生光电子，并将光电子注入到TiO2的导带中。作为DSC的染料敏化剂需要对太阳光有良好的吸收性能，带有可以与TiO2发生化学吸附的基团（如羟基、羧基、磷酸基等），能够向TiO2注入电子以及比较好的稳定性等。目前人们已经合成出了近千种染料，其中以钌的联吡啶配合物的光电性能最好，但由于它的成本比较高，合成困难，在一定程度上限制了它的大规模的使用。
天然染料敏化剂是直接从植物中提取的，获得染料的过程相对简单，生产成本较低，且与环境友好，但是天然染料敏化剂作为DSC的染料敏化剂存在着一定的不足，导致天然染料敏化太阳能电池的稳定性不理想，光电转换效率不高。
发明内容
本发明的目的是解决现有高原天然染料敏化剂光电转换效率低的问题。提供一种对现有的高原天然染料敏化剂进行化学修饰的方法，以提高高原天然染料敏化太阳能电池的性能。
本发明一种对高原天然染料敏化剂进行化学修饰的方法通过下述技术方案予以实现：一种对高原天然染料敏化剂进行化学修饰的方法包括如下步骤：
步骤1：将采摘自青藏高原的金莲花的花瓣摘出，用清水洗净阴干，然后放置在50℃的鼓风干燥箱中干燥15min，粉碎，得到红色花瓣粉末备用；
步骤2：将0.5克的金莲花花瓣粉末放置在50ml的无水乙醇溶液中，避光保存并浸泡过夜，温度保持在35℃，然后利用抽滤漏斗抽滤得到金莲花色素的原液；
步骤3：利用旋转蒸发仪，温度在25℃－40℃之间，当金莲花色素原液浓缩至原溶液的1∕2时，利用石油醚进行萃取，重复2-3次，直至石油醚相无色，去除石油醚相；
步骤4：将得到的乙醇相减压蒸馏至溶剂完全除去，得到暗红色的花青素；
步骤5：利用50ml的DMF溶解0.03g的花青素，加入0.045ml的乙氯酰，同时缓慢升温至120℃下进行油浴反应3.5h后，完成酯化反应部分；
步骤6：反应完成后将体系加入圆底烧瓶中，进行减压旋转蒸发，除去溶剂以及多余的乙酰氯后，即得到酯化后的花青素；
步骤7：将得到酰化后的花青素利用正己烷和甲醇进行萃取提纯，得到甲醇部分，并对甲醇部分利用SephadesLH20层析柱进行纯化，分离得到进行化学修饰后的高原天然染料敏化剂。
本发明一种对高原天然染料敏化剂进行化学修饰的方法与现有技术相比较有如下有益效果：本发明首次提供了对用于染料敏化太阳能电池的高原天然染料敏化剂进行化学修饰的方法，与现有的高原天然染料敏化剂相比，具有提高高原染料敏化太阳能电池光电性能的优点。与现有的合成染料相比，具有制备方法简单易行，反应易于控制，原料丰富等特点。所以本发明对高原天然染料敏化剂进行化学修饰的方法，对高原天然染料敏化太阳能电池的应用有十分重要的意义。另外，高原植物的开发又能鼓励青藏高原农牧民适当的种植高原植物金莲花，为其提供一条创收渠道，具有很好的经济效益。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明一种对高原天然染料敏化剂进行化学修饰的方法技术方案作进一步描述。
一种对高原天然染料敏化剂进行改性的方法，其特征在于：利用酰化反应，减少花青素中的部分—OH，避免远离TiO2光阳极的地方也有多个亲水性官能团—OH。所述的需要进行化学修饰的高原天然染料敏化剂是分子结构中含有多个—OH的植物花青素类，其分子结构式如下：
通过酰化反应，去掉部分远离TiO2光阳极的—OH。
优选地，所述的需要进行化学修饰的高原天然染料敏化剂为花青素是从青藏高原植物中提取所得。
一种对高原天然染料敏化剂进行化学修饰的方法包括如下步骤：
1）花瓣干燥粉碎，将采摘自青藏高原的金莲花红色花瓣用清水洗净阴干，放置在50℃的鼓风干燥箱中干燥15min，粉碎，得到红色花瓣粉末备用；
2）将步骤1）得到的金莲花红色花瓣粉末放置在乙醇溶液中，避光保存并浸泡过夜，过滤得到高原植物色素的原液；
3）将步骤2）得到的高原植物色素原液浓缩至原溶液的1∕2时，利用石油醚进行萃取，重复2-3次，去除石油醚相；
4）将步骤3）得到的乙醇相减压蒸馏至溶剂完全除去，得到暗红色的花青素；
5）利用DMF溶解步骤4提取出的花青素，加入一定量的乙氯酰，同时缓慢升温至一定温度进行油浴冷凝，反应一定的时间，完成酯化反应部分；
6）反应完成后将体系加入圆底烧瓶中，进行减压旋转蒸发，除去溶剂以及多余的乙酰氯后，即得到酯化后的花青素；
7）将得到酰化后的花青素利用正己烷和甲醇进行萃取提纯，得到甲醇部分，并对甲醇部分利用SephadesLH20层析柱进行纯化，分离得到进行化学修饰后的高原天然染料敏化剂。
实施例1。
对用于染料敏化太阳能电池的高原天然染料敏化剂进行化学修饰的方法：
步骤1：将采摘自青藏高原的金莲花的花瓣摘出，用清水洗净阴干，然后放置在50℃的鼓风干燥箱中干燥15min，粉碎，得到红色花瓣粉末备用；
步骤2：将0.5克的金莲花花瓣粉末放置在50ml的无水乙醇溶液中，避光保存并浸泡过夜，温度保持在35℃，然后利用抽滤漏斗抽滤得到金莲花色素的原液；
步骤3：利用旋转蒸发仪，温度在25℃－40℃之间，当金莲花色素原液浓缩至原溶液的1∕2时，利用石油醚进行萃取，重复2-3次，直至石油醚相无色，去除石油醚相；
步骤4：将得到的乙醇相减压蒸馏至溶剂完全除去，得到暗红色的花青素；
步骤5：利用50ml的DMF溶解0.03g的花青素，加入0.045ml的乙氯酰，同时缓慢升温至120℃下进行油浴反应3.5h后，完成酯化反应部分。
步骤6：反应完成后将体系加入圆底烧瓶中，进行减压旋转蒸发，除去溶剂以及多余的乙酰氯后，即得到酯化后的花青素。
步骤7：将得到酰化后的花青素利用正己烷和甲醇进行萃取提纯，得到甲醇部分，并对甲醇部分利用SephadesLH20层析柱进行纯化，分离得到进行化学修饰后的高原天然染料敏化剂。
Claims (3)
1.一种对高原天然染料敏化剂进行化学修饰的方法，其特征在于所述的方法包括如下步骤：
步骤1干燥粉碎步骤：将采摘自青藏高原的金莲花的花瓣摘出，用清水洗净阴干，然后放置在50℃的鼓风干燥箱中干燥15min，粉碎，得到红色花瓣粉末备用；
步骤2浸泡得金莲花色素原液步骤：将0.5克的金莲花花瓣粉末放置在50ml的无水乙醇溶液中，避光保存并浸泡过夜，温度保持在35℃，然后利用抽滤漏斗抽滤得到金莲花色素的原液；
步骤3金莲花色素原液浓缩步骤：利用旋转蒸发仪，温度在25℃－40℃之间，当金莲花色素原液浓缩至原溶液的1∕2时，利用石油醚进行萃取，重复2-3次，直至石油醚相无色，去除石油醚相；
步骤4去除溶剂步骤：将得到的乙醇相减压蒸馏至溶剂完全除去，得到暗红色的花青素；
步骤5酯化反应步骤：利用50ml的DMF溶解0.03g的花青素，加入0.045ml的乙酰氯，同时缓慢升温至120℃下进行油浴反应3.5h后，完成酯化反应部分；
步骤6去除酯化反应溶剂步骤：反应完成后将体系加入圆底烧瓶中，进行减压旋转蒸发，除去溶剂以及多余的乙酰氯后，即得到酯化后的花青素；
步骤7萃取提纯步骤：将得到酰化后的花青素利用正己烷和甲醇进行萃取提纯，得到甲醇部分，并对甲醇部分利用SephadesLH20层析柱进行纯化，分离得到进行化学修饰后的高原天然染料敏化剂。
2.根据权利要求1所述的对高原天然染料敏化剂进行化学修饰的方法，其特征在于：利用酰化反应，减少花青素中的部分—OH，避免远离光阳极的地方有多个亲水性官能团—OH。
3.根据权利要求1所述的对高原天然染料敏化剂进行化学修饰的方法，其特征在于：所述的需要进行化学修饰的高原天然染料敏化剂为花青素是从青藏高原的金莲花中提取所得。
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