吳永真，張維偉，朱為宏

（華東理工大學(xué)精細(xì)化工研究所，上海 200237）

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D-A-π-A型有機(jī)敏化染料的光譜調(diào)控與穩(wěn)定性提升

吳永真，張維偉，朱為宏

（華東理工大學(xué)精細(xì)化工研究所，上海 200237）

摘要：有機(jī)功能染料在新型光電子領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景，染料的光學(xué)特性與穩(wěn)定性是影響其應(yīng)用價值的重要因素。應(yīng)用于有機(jī)太陽電池的敏化染料是決定電池器件光電轉(zhuǎn)換效率和長期穩(wěn)定性的關(guān)鍵組分。傳統(tǒng)有機(jī)敏化染料的設(shè)計主要遵循電子給體-共軛橋連-電子受體（D-π-A）模型，但其對設(shè)計寬光譜、高效率、高穩(wěn)定性的有機(jī)敏化染料存在明顯的局限性。近年來系統(tǒng)引入額外的強(qiáng)吸電子基團(tuán)作為電荷分離“阱”受體，成功發(fā)展高穩(wěn)定性敏化染料，顯著提升敏化染料穩(wěn)定性及光電轉(zhuǎn)換效率，創(chuàng)新地提出D-A-π-A型純有機(jī)敏化染料概念。本文主要依據(jù)在純有機(jī)敏化染料設(shè)計與合成方面的相關(guān)工作，簡單介紹D-A-π-A模型中額外受體對染料能級、光譜等性能的調(diào)控機(jī)制，以及該模型對提升有機(jī)敏化染料穩(wěn)定性方面的作用及原理。

關(guān)鍵詞：有機(jī)敏化染料；太陽電池；電子受體；光譜響應(yīng)；光穩(wěn)定性

2015-06-30收到初稿，2015-10-03收到修改稿。

聯(lián)系人：朱為宏。第一作者：吳永真（1986—），男，博士。

Received date: 2015-06-30.

引 言

染料是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要化工產(chǎn)品，傳統(tǒng)有機(jī)染料主要用于纖維、皮革等印染行業(yè)。隨著科技的發(fā)展，有機(jī)染料被越來越多地應(yīng)用于一些新的領(lǐng)域，如電致發(fā)光、光致變色、熒光探針、有機(jī)光伏等，這些具有特殊功能的新型染料被統(tǒng)稱為有機(jī)功能染料。在光電子相關(guān)的應(yīng)用中，有機(jī)功能染料的光學(xué)特性（吸收、熒光的波長與強(qiáng)度等）與其在電、光等工作條件下的穩(wěn)定性是決定其應(yīng)用價值的重要因素。

染料敏化太陽電池（dye-sensitized solar cells, DSSCs）利用分子染料代替?zhèn)鹘y(tǒng)無機(jī)半導(dǎo)體作為吸光材料[1]，具有制備成本低廉、器件顏色可調(diào)、易實現(xiàn)柔性及透明性等優(yōu)點，是有機(jī)功能染料的一個重要應(yīng)用方向。DSSCs由透明導(dǎo)電基底、納米晶TiO2多孔電極、敏化染料、含有氧化還原組分（I-/I-3）的電解液和對電極5個部分組成。敏化染料化學(xué)吸附于TiO2電極上，吸收光子后可向TiO2導(dǎo)帶注入電子，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的TiO2可將光電子傳輸至透明導(dǎo)電基底及外電路；電子注入時產(chǎn)生的氧化態(tài)染料被電解液中的I-還原，同時生成的I-3擴(kuò)散至對電極接受電子被還原，這一系列過程將實現(xiàn)光能到電能的直接轉(zhuǎn)換。

敏化染料是DSSCs中的關(guān)鍵組分，染料的HOMO-LUMO能級、吸光特性、分子大小、分子構(gòu)象、聚集特性等對電池的光電轉(zhuǎn)換效率起決定性作用。另外，有機(jī)敏化染料必須具備良好的氧化還原可逆性和光熱穩(wěn)定性，這對發(fā)展可實用化的器件具有重要意義。大多數(shù)有機(jī)敏化染料具有給體-共軛橋連-受體（Donor-π bridge-Acceptor, D-π-A）結(jié)構(gòu)[2-3]，拓寬其吸收光譜的主要手段是增加共軛鏈長度。然而，過長的共軛結(jié)構(gòu)并不利于電池應(yīng)用，其一方面會增加染料聚集程度，降低電池效率，另一方面會增加光降解反應(yīng)概率，降低染料穩(wěn)定性。近幾年來，本課題組針對這些局限性，系統(tǒng)地提出D-A-π-A染料設(shè)計模型[4-5]，具體策略為在共軛橋鏈中引入額外的缺電子基團(tuán)作為額外受體，利用給體與額外受體間不同程度的推拉電子作用來調(diào)控染料的能級與光譜（圖1）。系統(tǒng)研究表明，D-A-π-A構(gòu)型不僅能有效調(diào)節(jié)染料HOMO-LUMO能級，進(jìn)而調(diào)控光譜響應(yīng)區(qū)間，其對分子內(nèi)的電荷重排作用還可極大提升染料光熱穩(wěn)定性，且基于D-A-π-A染料的DSSCs已表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

1 D-A-π-A結(jié)構(gòu)調(diào)控染料的能級與光譜

作為太陽能電池的吸光材料，敏化染料的光響應(yīng)特性是決定最終電池光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素，拓寬染料的吸收光譜可有效提高電池的輸出光電流。大多數(shù)有機(jī)染料的吸光特性主要源自于分子結(jié)構(gòu)中的共軛結(jié)構(gòu)和推拉電子作用，增大分子內(nèi)共軛結(jié)構(gòu)與增強(qiáng)分子內(nèi)推拉電子作用是拓寬染料吸收光譜的兩種主要手段。傳統(tǒng)D-π-A型敏化染料既具有較長的共軛結(jié)構(gòu)，又具有一定的分子內(nèi)推拉電子作用。然而，受到給體與受體結(jié)構(gòu)的限制，特別是絕大多數(shù)染料都采用氰基乙酸結(jié)構(gòu)作為電子受體兼吸附基團(tuán)，延長共軛增加離域度便成為調(diào)控D-π-A型敏化染料光譜的主要手段。

圖1 以BTZ、Qu、BTD和BOD為額外受體的D-A-π-A敏化染料（WS-5、IQ4、WS-2和WS-25）的分子結(jié)構(gòu)(a)；基于D-π-A模型的參比染料LS-1和(a)中4個D-A-π-A染料制備的DSSCs的光譜響應(yīng)曲線(b)Fig. 1 Molecular structure of D-A-π-A featured organic dyes with BTZ (WS-5), Qu (IQ4), BTD (WS-2) and BOD (WS-25) as the additional acceptor(a); IPCE curves of DSSCs based on D-π-A reference dye LS-1 and D-A-π-A dyes WS-5, IQ4, WS-2 and WS-25(b)

眾所周知，染料的起始吸收波長由其光學(xué)帶隙（optical band gap, Eg）決定，而Eg又由其分子前線軌道HOMO-LUMO能級確定。常用的電子給體三苯胺（triphenylamine）的吸收峰位于紫外區(qū)的305 nm，在三苯胺上連接一個共軛苯基后，其吸收峰僅紅移10 nm至315 nm。相比之下，若在三苯胺上連接一個缺電子性的苯并噻二唑基團(tuán)，則其吸收峰可紅移至430 nm，紅移了125 nm。由此可見，在敏化染料分子中引入額外缺電子基團(tuán)能夠比簡單延長共軛更為有效地調(diào)控染料的能級與光譜性質(zhì)[6]。

1.1 額外受體的結(jié)構(gòu)篩選

1.2 額外受體缺電子性

圖2 以鄰苯二甲酰亞胺和苯并三氮唑為額外受體的D-A-π-A染料LS-2和WS-5及最優(yōu)分子構(gòu)型；基于染料LS-2和WS-5的電池J-V曲線Fig. 2 D-A-π-A featured sensitizers LS-2 and WS-5 (optimized molecular configurations) bearing phthalimide and benzotriazole as auxiliary acceptor; J-V curves of DSSCs based on dye LS-2 and WS-5

為了系統(tǒng)研究額外受體的缺電子特性對染料的能級和光譜的影響，采用固定的吲哚啉結(jié)構(gòu)作為電子給體，氰基乙酸作為末端電子受體兼吸附基團(tuán)，噻吩單元作為連接額外受體與末端受體的共軛橋連，然后引入一系列結(jié)構(gòu)不同的苯并雜環(huán)（BTZ、Qu、BTD、BOD），合成一系列結(jié)構(gòu)類似的D-A-π-A型敏化染料，如圖1（a）所示。由理論化學(xué)及聚合物化學(xué)的經(jīng)驗可知，這幾個苯并雜環(huán)的缺電子性由弱到強(qiáng)的順序為BTZ < Qu < BTD < BOD[27]。將這些染料應(yīng)用于DSSCs中，并測試其外量子轉(zhuǎn)換效率（incident photon-to-electron conversion efficiency, IPCE）可研究其光譜響應(yīng)范圍。如圖1（b）和表1所示，沒有額外受體時（D-π-A結(jié)構(gòu)），染料的起始響應(yīng)波長約為690 nm，對應(yīng)的電池的光電轉(zhuǎn)換效率約5%左右[28]；引入BTZ后，染料的起始響應(yīng)波長紅移至730 nm，對應(yīng)的電池效率為8.4%[14]；引入Qu后光譜紅移至750 nm，功率轉(zhuǎn)換效率可達(dá)9.2%[17]；引入BTD時，光譜響應(yīng)則能被紅移至810 nm，光電轉(zhuǎn)換效率為8.7%[7]；當(dāng)引入的缺電子基團(tuán)為BOD時，光譜可進(jìn)一步紅移至870 nm[21]，但量子轉(zhuǎn)換效率有所下降?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著額外受體缺電子性增強(qiáng)，染料的光譜響應(yīng)區(qū)間可以在保持分子大?。ü曹楅L度）基本一致的情況下不斷拓寬，因而可以避免D-π-A染料中過長的共軛結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的染料聚集等不利因素，同時也表明額外受體的缺電子性是調(diào)節(jié)D-A-π-A敏化染料的光譜的有效手段。需要注意的是，光譜的變化是由能級的變化而導(dǎo)致，過強(qiáng)的缺電子性可能會導(dǎo)致過低的LUMO能級，進(jìn)而影響染料向TiO2的電子注入過程及最終的電池轉(zhuǎn)換效率。初步探索的結(jié)果表明，BTZ、Qu和BTD是非常具有潛力的構(gòu)筑高效率D-A-π-A敏化染料的缺電子基團(tuán)，對基于這三個缺電子基團(tuán)的D-A-π-A敏化染料進(jìn)行了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最高光電效率可達(dá)10%以上。

表1 以BTZ、Qu、BTD和BOD為額外受體的D-A-π-A有機(jī)敏化染料（WS-5、IQ4、WS-2和WS-25）的光伏性能Table 1 Photovoltaic performances for devices based on D-A-π-A featured organic sensitizers (WS-5, IQ4, WS-2 and WS-25) with auxiliary acceptors of BTZ, Qu, BTD and BOD

圖3 以DPP為額外受體的D-A-π-A染料DPP-I, DPP-II和YCD-01的分子結(jié)構(gòu)Fig. 3 Molecular structures of D-A-π-A featured sensitizers based on auxiliary acceptor of DPP

1.3 額外受體共平面性

除了缺電子性以外，額外受體與電子給體及π-橋連之間的共平面性（共軛有效性）也是影響最終染料光譜的一個重要因素。曾嘗試?yán)门cBTZ具有非常相似結(jié)構(gòu)的鄰苯二甲酰亞胺基團(tuán)作為額外受體構(gòu)建D-A-π-A染料LS-2(圖2)[25]。雖然鄰苯二甲酰亞胺受體上含有兩個強(qiáng)吸電子的羰基，染料LS-2的吸收光譜相對參比染料LS-1[圖1(a)中沒有額外受體的D-π-A分子結(jié)構(gòu)]不但沒有紅移，反而藍(lán)移了約40 nm?；贚S-2染料的電池短路光電流密度（short circuit current density, Jsc）僅為BTZ染料WS-5的60%。這主要是由于鄰苯二甲酰亞胺上的兩個羰基作為較大的空間位阻基團(tuán)，嚴(yán)重降低了其與吲哚啉給體和噻吩橋連的共平面性。密度泛函理論計算表明該受體兩側(cè)的芳環(huán)間二面角分別為43.5°和31.9°，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于BTZ染料WS-5的26.6°和0.1°（圖3）。較低的共平面性降低了分子內(nèi)共軛的有效性，從而擴(kuò)大了HOMO-LUMO能級差。

圖4 DFT理論計算喹喔啉基團(tuán)對吲哚啉衍生物光穩(wěn)定性的增強(qiáng)作用(a)；敏化染料在TiO2薄膜上的光穩(wěn)定性測試(b)；染料LS-1與WS-2在500 nm處吸光度隨光照時間的變化(c)Fig. 4 Quinoxaline unit increasing the photo-stability of indoline derivatives supported by DFT theoretical calculation(a); measurement of dye photostability on TiO2film(b); change in absorbance (at 500 nm) of LS-1 and WS-2 under light irradiation(c)

另一個例子是基于DPP的額外受體在D-A-π-A染料中的連接基團(tuán)。華東理工大學(xué)田禾等[23,29]研究了一系列含有DPP單元的敏化染料(圖3)，發(fā)現(xiàn)DPP單元兩側(cè)的連接基團(tuán)對染料的能級、光譜性質(zhì)以及最終電池的光電轉(zhuǎn)換性能有極大的影響。當(dāng)DPP兩側(cè)由噻吩基連接時，對應(yīng)的染料DPP-II表現(xiàn)出非常寬的光譜響應(yīng)，吸收峰位于近紅外區(qū)的627 nm[29]；而當(dāng)DPP兩側(cè)由苯基連接時，對應(yīng)的染料YCD01的吸收峰藍(lán)移至526 nm[30]。連接基團(tuán)的差異可造成100 nm的光譜差異，這主要是由單鍵連接的芳環(huán)之間有不同程度的扭曲造成的。噻吩基團(tuán)位阻效應(yīng)較小，其與其他芳環(huán)（如苯基、噻吩、呋喃、吡咯等）連接時，芳環(huán)間二面角較小，共軛較好；而苯基的位阻效應(yīng)較大，與其他芳環(huán)連接時會造成較為嚴(yán)重的分子扭曲。盡管染料DPP-II的光譜響應(yīng)明顯寬于染料YCD01，前者的光電轉(zhuǎn)換效率卻低于后者，這主要是由于其過低的LUMO能級導(dǎo)致其電子注入過程受阻。經(jīng)過合理調(diào)節(jié)DPP兩側(cè)的連接基團(tuán)，如在兩側(cè)分別使用苯基和噻吩單元時，可進(jìn)一步調(diào)控其能級與光譜，最終獲得更高的光電轉(zhuǎn)換效率。

2 D-A-π-A結(jié)構(gòu)提升染料穩(wěn)定性

敏化染料須在光照、高溫和有電流通過的環(huán)境下工作，除了合適的能級與光譜以保證其高效光電轉(zhuǎn)換外，能否長時間穩(wěn)定工作也是決定其是否具有應(yīng)用價值的一個重要因素。DSSCs器件的穩(wěn)定性受到多個方面的影響，如納米晶多孔電極的穩(wěn)定性、電解液的穩(wěn)定性，以及對電極的穩(wěn)定性等，而敏化染料的穩(wěn)定性則是最關(guān)鍵的因素之一。有機(jī)敏化染料大多由一系列芳環(huán)和共軛雙鍵（或三鍵）組成，這些共軛結(jié)構(gòu)在光照下，特別是在高能量的紫外區(qū)光子的激發(fā)下，很容易發(fā)生不可預(yù)測的光降解反應(yīng)，從而降低電池的工作壽命。以往的工作表明，在D-π-A染料結(jié)構(gòu)中，使用芳環(huán)（如寡聚噻吩等）連接電子給體與受體比基于共軛多烯的染料穩(wěn)定性要高[31-32]，其主要原因是芳環(huán)的大π結(jié)構(gòu)能夠有效分散電子給體上的高密度電子云，從而降低其受激發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)的可能。

2.1 額外受體改善分子內(nèi)電荷分布

在D-A-π-A結(jié)構(gòu)的敏化染料中，電子給體直接與缺電子基團(tuán)連接，強(qiáng)烈的分子內(nèi)推拉電子效應(yīng)可以比普通芳環(huán)的大π結(jié)構(gòu)更為有效地降低給體上的電子云密度，從而提高染料光穩(wěn)定性。所采用的吲哚啉單元是一個供電子能力非常強(qiáng)的給體結(jié)構(gòu)，其特殊的空間結(jié)構(gòu)使得中心氮原子表現(xiàn)出非常高的局部電子云密度和極強(qiáng)的推電子能力。實驗室合成的吲哚啉中間體由于其較高的LUMO能級在光照下非常不穩(wěn)定，其在稀溶液中可發(fā)生快速光降解反應(yīng)。但在引入缺電子基團(tuán)（如BTD或Qu后），吲哚啉化合物變得非常穩(wěn)定。DFT理論計算[圖4(a)]表明在引入缺電子基團(tuán)喹喔啉后，吲哚啉母體上的電子云被有效分散，在其HOMO能級影響不大的前提下，將LUMO能級從-0.27 eV降低到-1.95 eV，從而顯著減少了光降解反應(yīng)的可能性，提高了光穩(wěn)定性。這對染料中間體的合成，以及染料的快速吸附[33]和最終在電池器件中的光穩(wěn)定性有極大幫助。

關(guān)于敏化染料的光穩(wěn)定性，Katoh等[31]報道了一種簡單的方法進(jìn)行評估，即將染料吸附于納米晶多孔TiO2電極上，然后將該電極置于模擬太陽光下[圖4(b)]，監(jiān)測其吸收光譜的變化。大多數(shù)染料處于基態(tài)時（沒有光照或加熱）相對穩(wěn)定，但當(dāng)染料吸附在TiO2上時，其吸收光子后可迅速向TiO2注入激發(fā)態(tài)電子，染料處于激發(fā)態(tài)的時間為飛秒級別（10-12s），在如此短的時間內(nèi)很難發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此染料的光降解也不大可能發(fā)生在激發(fā)態(tài)。而在注入電子后，呈氧化態(tài)的染料存在時間相對較長（有電解液時約10-6s，無電解液時約10-3s），光降解反應(yīng)極易發(fā)生于氧化態(tài)的染料。上述染料老化試驗中，由于沒有電解液浸潤，氧化態(tài)的染料僅能依靠TiO2內(nèi)電子反相轉(zhuǎn)移實現(xiàn)還原，每次激發(fā)后氧化態(tài)壽命約為10-3s，持續(xù)光照2 h染料處于氧化態(tài)的時間約為10 s，相當(dāng)于電池工作10年，因此可以在較短的時間內(nèi)評估染料的光穩(wěn)定性。利用此方法比較了基于BTD的D-A-π-A染料WS-2和D-π-A結(jié)構(gòu)的參比染料LS-1的光穩(wěn)定性。在持續(xù)光照30 min后，D-A-π-A染料WS-2的吸收光譜基本未發(fā)生變化，而D-π-A染料LS-1的吸光度在不斷降低。圖4(c)比較了這兩個染料在500 nm處的吸光度隨光照時間的變化，可以看出，含有額外受體的D-A-π-A結(jié)構(gòu)能夠顯著提升有機(jī)敏化染料的光穩(wěn)定性[5]。

2.2 額外受體提供穩(wěn)定的抗聚集基團(tuán)的嫁接位點

為了抑制有機(jī)敏化染料在TiO2電極上的聚集，大多數(shù)高性能染料分子中都含有長烷基鏈結(jié)構(gòu)。這些具有空間阻礙效應(yīng)的烷基鏈一方面增大染料分子間距，減少染料聚集；另一方面可在TiO2表面形成疏水層，降低由TiO2向電解液的不利電子復(fù)合[34]。如圖5中所示的染料WS-6和WS-9分子中在噻吩單元上所引入的正己基，可有效提高電池的光電轉(zhuǎn)換性能。然而，這些含烷基鏈的共軛橋連是除富電子給體部分外的又一個易發(fā)生光降解反應(yīng)的位點。在聚合物科學(xué)中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，噻吩[圖5(a)]或芴單元上的烷基鏈易發(fā)生光氧化反應(yīng)，從而阻斷分子共軛結(jié)構(gòu)[35]。利用上述光穩(wěn)定性評價方法測試了染料WS-6與WS-9，發(fā)現(xiàn)其光穩(wěn)定性相比不含烷基鏈的WS-2有所下降，這很可能是在噻吩共軛單元上引入烷基鏈的結(jié)果[圖5(b)]。

圖5 烷基鏈誘導(dǎo)的光降解機(jī)理(a)；在共軛噻吩單元上引入烷基鏈降低染料穩(wěn)定性(b)；在額外受體上引入抗聚集單元可提升染料光穩(wěn)定性(c)Fig. 5 Alkyl chains on thiophene unit can induce photo degradation(a); incorporation of alkyl chains on thiophene unit decrease the dye stability(b); introducing anti-aggregation groups on the additional acceptor can increase the dye stability(c)

在D-A-π-A結(jié)構(gòu)的敏化染料中，額外受體提供了相當(dāng)方便的抗聚集基團(tuán)接入點，如圖5(c) 中所示的4個染料WS-5、LS-2、YCD01和IQ4，前3個染料通過額外受體中的氮原子引入長烷基鏈，而最后一個染料直接在Qu單元上引入兩個可自由旋轉(zhuǎn)的苯基作為抗聚集基團(tuán)。實驗結(jié)果表明，通過缺電子基團(tuán)上的氮原子所引入的長烷基鏈對染料光穩(wěn)定性幾乎沒有影響。這主要是由于連接烷基鏈的氮原子不像噻吩或芴上的芳香碳原子易發(fā)生光氧化反應(yīng)，從而抑制了光降解路徑，提高了染料的光穩(wěn)定性。染料IQ-4中的2,3-二苯基喹喔啉更是一個非常優(yōu)秀的額外受體，其結(jié)構(gòu)特性不僅保證了較高的光電流，同時可以獲得較高的開路光電壓（open circuit voltage, Voc）?；谠撊玖系碾姵仄骷?＞9%，基于離子液體電解液的電池器件在1000 h光照老化實驗后效率幾乎無衰減[17]，其高效率與高穩(wěn)定性表現(xiàn)出極大的應(yīng)用前景。

有機(jī)敏化染料已經(jīng)經(jīng)歷了十余年的研究，前期工作主要圍繞構(gòu)筑染料的官能團(tuán)篩選與分子結(jié)構(gòu)設(shè)計，其使得DSSCs的光電轉(zhuǎn)換效率有了長足的進(jìn)步。然而，具有實用價值的DSSCs應(yīng)同時具有高的光電轉(zhuǎn)換效率和長的使用壽命。目前DSSCs的效率已到達(dá)一個瓶頸期，而穩(wěn)定性的研究才剛剛引起人們的關(guān)注。提出的D-A-π-A有機(jī)敏化染料設(shè)計模型，不僅能滿足能級、光譜調(diào)控方面的要求，還能提升敏化染料自身的穩(wěn)定性。對D-A-π-A模型更加系統(tǒng)深入的研究有望突破DSSCs的應(yīng)用在染料方面的瓶頸。在這方面已有一些頗具成效的結(jié)果被報道，如Joly等利用BTD構(gòu)建的敏化染料，通過了5000 h的持續(xù)光照老化實驗[36]；近一步利用BTD染料制備了1400 cm2的DSSCs模塊，并發(fā)現(xiàn)其在1000個小時內(nèi)能穩(wěn)定工作[37]。

3 結(jié) 論

制備寬光譜、高效率和高穩(wěn)定性的有機(jī)敏化染料是突破DSSCs應(yīng)用瓶頸的關(guān)鍵之一。提出的D-A-π-A模型中，所引入的額外受體能夠增強(qiáng)分子內(nèi)推拉電子作用，不同缺電子程度的額外受體基團(tuán)提供了便利的能級、光譜調(diào)控，而且可以避免較長共軛鏈所造成的染料聚集等問題，能高效率制備高性能敏化染料。同時，額外受體還可有效分散分子內(nèi)電荷排布，顯著改善有機(jī)敏化染料（特別是高效吲哚啉染料）的光穩(wěn)定性。基于D-A-π-A模型的有機(jī)敏化染料光電轉(zhuǎn)換效率已突破10%，且能在數(shù)千個小時的光照老化實驗中持續(xù)穩(wěn)定工作。這些結(jié)果表明D-A-π-A模型是實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的有機(jī)敏化染料的有效途徑。后續(xù)工作將圍繞如何設(shè)計更為便捷的染料合成路線、微調(diào)染料能級與光譜、進(jìn)一步優(yōu)化染料穩(wěn)定性等展開。

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Foundation item: supported by the National Science Fund for Distinguished Young Scholars (21325625).

D-A-π-A Featured sensitizers for organic solar cells with improved spectral response and stability

WU Yongzhen, ZHANG Weiwei, ZHU Weihong
(Institute of Fine Chemicals, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China)

Abstract:Organic functional dyes have been widely exploited in optoelectronic fields. As a key element in dye-sensitized solar cells (DSSCs), their light-responsive spectral characters and long-term stability are the key issues on their practical applications. Generally, many traditional organic sensitizers are derived from the common concept of electron donor-π bridge-electron acceptor (D-π-A). Due to the finite donors and acceptors, the D-π-A model always exhibits limitation to the spectral response, photovoltaic efficiency and enduring stability. Recently, a novel D-A-π-A model via inserting an additional electron acceptor unit into the π bridge was proposed, allowing the convenient modulations in energy levels and light-harvesting. In this paper, the spectral modulation and stability enhancement based on D-A-π-A motif organic sensitizers were introduced.

Key words:organic sensitizers; solar cells; electron acceptor; light-response; photo-stability

Corresponding author:Prof. ZHU Weihong, whzhu@ecust.edu.cn

基金項目：國家杰出青年科學(xué)基金項目（21325625）。

中圖分類號：TQ 028.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：0438—1157（2016）01—0231—09

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151026