CN109796783B - 锌卟啉超分子染料敏化剂及制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种锌卟啉超分子染料敏化剂及制备方法和应用，以锌卟啉发色团作为天线分子与4‑吡啶基苯甲酸锚固分子在光阳极TiO2表面进行锌卟啉超分子自组装得到所述的染料敏化剂，所述的染料敏化剂结构如下式A所示，然后应用到染料敏化太阳能电池之中。本发明通过以锌卟啉发色团作为天线分子与4‑吡啶基苯甲酸锚固分子进行锌卟啉超分子自组装构建锌卟啉超分子染料敏化剂，有效地减少了一般染料敏化剂的复杂合成步骤，改善了器件的光子捕获性能。
Figure DDA0001941657910000011

Description

锌卟啉超分子染料敏化剂及制备方法和应用
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种锌卟啉超分子染料敏化剂及制备方法和应用。
背景技术
近年来，由于经济高速发展的同时也带来了比较严重的环境污染和能源紧缺问题，因此人们对新能源的开发利用显示出了越来越大的兴趣。新能源具有传统能源无法比拟的优点，比如来源丰富、易于开发、环境友好、循环利用等。一般来说，新能源包括风能、水能、潮汐能、太阳能、核能等，其中以太阳能利用为主的可再生能源潜力极大，同时太阳能采集方便﹑没有污染，其储量可以使用上百亿年，光伏发电是利用太阳能的重要途径之一，因此太阳能电池的研发已经成为新能源开发的重要领域之一
染料敏化太阳能电池(DSSCs，dye-sensitized solar cells)已经吸引了全世界很多科学家的广泛关注，主要是由于其具有制作方便、价格低廉、并且有着很高的光电转换效率等优点。虽然染料敏化太阳能电池得到了长足的发展，但是目前的光电转换效率距离理论效率还有很大的差距，并且染料敏化剂都局限于单层染料，比如研究比较成熟的吡啶钌类染料、金属卟啉类染料和纯有机染料等。尽管目前基于纯有机染料ADEKA-1的电池器件光电转换效率已经达到了14.3％，但是由于单层染料本身光子捕获能力的限制，电池效率很难再有较大的突破。传统染料会被设计成基本的D-π-A结构，人们可以提高调控其中的电子供体部分、桥连基团和电子受体部分来改善器件的光子捕获能力，但是要想达到近红外区域却有着很大的难度，并且会受到能级匹配等因素的制约，因此发展新型高效的染料敏化剂以及敏化技术对于提高染料敏化太阳能电池的整体性能有着非常重要的科学意义。
发明内容
本发明实施例提供了一种锌卟啉超分子染料敏化剂及制备方法和应用，是以一种锌卟啉发色团作为天线分子与4-吡啶基苯甲酸锚固分子在光阳极TiO2表面进行锌卟啉超分子自组装，然后应用到染料敏化太阳能电池之中。与传统的D-π-A结构染料敏化剂相比，天线分子的可调控性与空间性不仅可以提高染料的光谱响应能力，而且可以有效地减少电荷复合行为，从而达到提高电池整体性能的目的。
本发明实施例的目的是通过如下技术方案实现的：
第一方面，本发明实施例提供了一种锌卟啉超分子染料敏化剂的制备方法，包括如下步骤：
以锌卟啉发色团作为天线分子与4-吡啶基苯甲酸锚固分子在光阳极TiO2表面进行锌卟啉超分子自组装得到所述的染料敏化剂，所述染料敏化剂结构如下式A所示：
Figure GDA0002618402800000031
进一步的，所述锌卟啉发色团结构图如式B所示，所述锚固分子如式C所示：
Figure GDA0002618402800000032
进一步的，包括如下步骤：将TiO2纳米晶薄膜先在锚固分子溶液中敏化8-12小时，洗涤，干燥，再在天线分子锌卟啉发色团溶液中进行锌卟啉超分子自组装1-4小时，洗涤，干燥，然后进行太阳能电池器件组装。
进一步的，锚固分子溶液的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、甲醇、四氢呋喃中的一种或几种，锌卟啉发色团溶液的溶剂为乙醇、二氯甲烷、三氯甲烷、四氢呋喃中的一种或几种。
进一步的，锚固分子浓度为0.5-3mmol，锌卟啉发色团的浓度为0.1-0.5mmol。
第二方面，本发明实施例提供了一种锌卟啉超分子染料敏化剂，所述的锌卟啉超分子染料敏化剂由上述的任一种方法制备而得。
第三方面，本发明实施例提供了一种锌卟啉超分子染料敏化剂的应用，将由上述的任一种方法制备的锌卟啉超分子染料敏化剂应用于染料敏化太阳能电池中。
借由上述方案，本发明锌卟啉超分子染料敏化剂及制备方法和应用至少具备如下有益效果：
本发明以一种锌卟啉发色团作为天线分子与4-吡啶基苯甲酸锚固分子在光阳极TiO2表面进行锌卟啉超分子自组装，从而构建了一种锌卟啉超分子染料敏化剂，有效地减少了一般染料敏化剂的复杂合成步骤，改善了器件的光子捕获性能。与传统的染料敏化剂结构相比，天线分子的可调控性与空间性不仅可以提高染料的光谱响应能力，而且可以有效地减少电荷复合行为，从而达到提高电池整体性能的目的，组装的染料敏化太阳能电池展示了良好的光电转换效率，这对于新型敏化染料的开发有很好的指导意义。
附图说明
图1为本发明锌卟啉超分子染料敏化剂及制备方法和应用中一实施例的锌卟啉超分子自组装示意图；
图2为本发明锌卟啉超分子染料敏化剂及制备方法和应用一实施例中锚固分子4-吡啶基苯甲酸与天线分子锌卟啉发色团经过锌卟啉超分子自组装后TiO2电极表面的紫外-可见吸收光谱图；
图3为本发明锌卟啉超分子染料敏化剂及制备方法和应用一实施例中锚固分子4-吡啶基苯甲酸与天线分子锌卟啉发色团经过锌卟啉超分子自组装后制备的染料敏化太阳能电池的J-V曲线图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员对本发明方案的理解，下面结合具体实施例对本发明方案进行进一步阐述，应当理解，本发明实施例是对本发明方案的解释说明，不作为对本发明保护范围的限定。
本发明实施例提供了一种锌卟啉超分子染料敏化剂的制备方法，包括如下步骤：
以锌卟啉发色团作为天线分子与4-吡啶基苯甲酸锚固分子在光阳极TiO2表面进行锌卟啉超分子自组装得到所述的染料敏化剂，所述的染料敏化剂结构如下式A所示：
Figure GDA0002618402800000051
在本发明的一些实施例中，所述锌卟啉发色团结构图如式B所示，所述锚固分子如式C所示：
Figure GDA0002618402800000061
在本发明的一些实施例中，包括如下步骤：将TiO2纳米晶薄膜先在锚固分子溶液中敏化8-12小时，洗涤，干燥，再在天线分子锌卟啉发色团溶液中进行锌卟啉超分子自组装1-4小时，洗涤，干燥，然后进行太阳能电池器件组装。
在本发明的一些实施例中，锚固分子溶液的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、甲醇、四氢呋喃中的一种或几种，锌卟啉发色团溶液的溶剂为乙醇、二氯甲烷、三氯甲烷、四氢呋喃中的一种或几种。
在本发明的一些实施例中，锚固分子的浓度为0.5-3mmol，锌卟啉发色团的浓度为0.1-0.5mmol。
第二方面，本发明实施例提供了一种锌卟啉超分子染料敏化剂，所述的锌卟啉超分子染料敏化剂由上述的任一种方法制备而得。
第三方面，本发明实施例提供了一种锌卟啉超分子染料敏化剂的应用，将由上述的任一种方法制备的锌卟啉超分子染料敏化剂应用于染料敏化太阳能电池中。
实施例1
结合附图1-3，本实施例是一种基于锌卟啉锌卟啉超分子自组装方法及其在染料敏化太阳能电池中的应用，具体制备步骤如下：
(1)TiO2纳米晶薄膜的制备：
FTO玻璃片使用前用清洁剂在去离子水溶液中超声半小时，然后用去离子水和乙醇洗涤。通过丝网印刷技术制备TiO2纳米晶薄膜，TiO2粒径为20nm，孔径为32nm。制作得到4×4mm2的TiO2薄膜的厚度为12μm。
(2)锌卟啉超分子自组装方法：
将制备好的TiO2纳米晶薄膜先在1mmol的4-吡啶基苯甲酸的N,N-二甲基甲酰胺溶液中浸泡12小时，然后用乙醇洗涤，自然晾干，接着再放入0.3mmol的天线分子锌卟啉的二氯甲烷溶液中浸泡2小时，然后用乙醇洗涤，自然晾干。
(3)对电极的制备：
在FTO导电玻璃上打一个直径约为0.8mm的孔用于注入电解质，然后将0.02M的H2PtCl6的乙醇溶液旋涂到导电玻璃表面，最后在马弗炉中450℃下烧结半小时，然后冷却至室温。
(4)染料敏化太阳能电池的制备：
将制备好的TiO2薄膜电极与Pt对电极通过60μm的薄膜用热烘枪进行胶合，再用抽真空的方法注入碘基电解液，最后用0.1mm厚度的薄玻片进行封装。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种锌卟啉超分子染料敏化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
以锌卟啉发色团作为天线分子与4-吡啶基苯甲酸锚固分子在光阳极TiO2表面进行锌卟啉超分子自组装得到染料敏化剂，所述染料敏化剂结构如下式A所示：
Figure FDA0002618402790000011
其中，所述锌卟啉发色团结构图如式B所示，所述锚固分子如式C所示：
Figure FDA0002618402790000012
其中，具体制备步骤如下：将TiO2纳米晶薄膜先在锚固分子溶液中敏化8-12小时，洗涤，干燥，再在天线分子锌卟啉发色团溶液中进行锌卟啉超分子自组装1-4小时，洗涤，干燥，然后进行太阳能电池器件组装。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述锚固分子溶液的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、甲醇、四氢呋喃中的一种或几种，所述锌卟啉发色团溶液的溶剂为乙醇、二氯甲烷、三氯甲烷、四氢呋喃中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述锚固分子的浓度为0.5-3mmol，所述锌卟啉发色团的浓度为0.1-0.5mmol。
4.一种锌卟啉超分子染料敏化剂，其特征在于，所述锌卟啉超分子染料敏化剂由权利要求1-3任一项所述的方法制备而得。
5.一种锌卟啉超分子染料敏化剂的应用，其特征在于，将如权利要求4所述的锌卟啉超分子染料敏化剂应用于染料敏化太阳能电池中。
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