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目 录

1 前言 6

1.1 染料敏化太阳能电池的简介 6

1.2 染料敏化太阳能电池的机构及工作原理 7

1.3 纯有机染料敏化剂（D–π–A型染料） 8

1.3.1 豆素类染料 10

1.3.2 咔唑类染料 10

1.3.3 吲哚啉类染料 10

1.3.4芴类染料 11

1.3.5三苯胺类染料 11

1.4 选题思路 11

2 实验部分 12

2.1 实验仪器 12

2.2 实验药品及试剂 12

2.3 S3的合成 12

2.3.1 实验材料 12

2.3.2 实验步骤 13

2.3.2 反应分析 13

2.4 正己基修饰的立体三苯胺的合成 14

2.4.1 实验材料 15

2.4.2 实验的准备 15

2.4.3正己基修饰的立体三苯胺合成 15

2.4.4 反应分析 16

2.4.5 核磁共振氢谱测试结果 17

2.5 正己基修饰的立体三苯胺的溴代反应 18

2.5.1 实验材料 18

2.5.2 溴代反应具体合成 18

2.5.3 反应分析 19

2.5.4 核磁共振氢谱测试结果 20

3结束语 21

参考文献 21

致 谢 22

基于正己基修饰的立体三苯胺的染料敏化剂电子供体的合成

杨富雄

,China

Abstract: Solar energy, as a inexhaustible and clean energy, has been widely accepted and studied. Dye-sensitized solar cells (DSSCs), as a new method of using solar energy, continuously demonstrated its excellent solar energy utilization efficiency and infinite development prospects. This paper presents the synthesis of a n-hexyl modified three-dimensional triphenylamine and its bromination product from trimethyl 2,2',2''-nitrilotribenzoate. The ¹H NMR of products and the influence of the factors on the reactions.
Key word: dye-sensitized solar cells; dye; n-hexyl modified  three-dimensional triphenylamine.

1 前言

能源是人类在地球上生存和发展所不可缺少的,随着世界经济不断发展,目前大量使用的传统化石能源如石油，煤炭渐渐地出现枯竭, 在化石燃料将逐渐短缺的情况下，人们开始对清洁可再生的太阳能产生了兴趣，并不断得到发展。太阳能发电是一种新兴的可再生能源。

在传统的太阳能电池中，太阳能的利用有光热转换和光电转换两种方式^[1]:光-热-电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。光-电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光-电转换的基本装置就是太阳能电池。

在众多太阳能电池中，硅板太阳能电池因其高效的光转化率也投入了生产实践中，单晶硅太阳能的光电转换效率最高的达到24%,这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的。由于单晶硅太阳能电池的制作成本大，导致其还不能被大量广泛和普遍地使用。多晶硅太阳能电池从制作成本上来讲，虽然比单晶硅太阳能电池要便宜一些，但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率要比单晶硅太阳能电池低不少，此外，多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。

太阳能取之不尽，用之不竭，对于如何能更为有效的，并最大限度的利用太阳能，对太阳能电池的研究，也在不断地向更为广阔的领域拓展。太阳能电池的研究所涉及到的学科也是越来越多，更多的科研人员开始投入新型高效太阳能电池的研究。

随着科技的不断发展，对物质光电特性的了解随之不断加深，染料敏化太阳能电池以其良好的发展前景，逐渐走进研究人员的视线。

1.1染料敏化太阳能电池的简介

在染料敏化太阳能电池未被发现研究时，人们对太阳能电池的应用还停留在半导体硅材料太阳能电池上。并已经达到了15%的光转化率。但是硅材料太阳能电池对材料的纯度要求以及无晶体缺陷等苛刻的条件也是得其成本随光转化率的升高不断增加，这样也给太阳能电池的发展带来了阻力。

1991年，Michael Grätzel等人^[2]于《Nature》上发表了一篇关于染料敏化纳米晶体太阳能电池的文。.低成本，并能得到光电转化效率的超过7%的染料材料，开辟了一个新的利用太阳能的时代。两年后，Michael Grätzel等人^[3]研究出染料敏化太阳能电池染料，并将光转化率提高到了10%，这一接近传统的硅光伏电池的水平的突破也让人们发现了燃料敏化太阳能电池未来良好的发展前景。在一代一代的科学研究者的不断努力下，染料敏化太阳能电池的光转化率记录也在于不断刷新，对染料的研究体开始不断成熟。2014 年， S Mathew 等人^[4]经过一系列的合成后， 成功的合成锌卟啉化合物 SM315，并将染料敏化太阳能电池的最高光转化效率提高至 13%， 再次的向人们展现了新型染料敏
化太阳能电池的发展前景。

此外，在成本上，染料敏化太阳能电池相较于硅材料太阳能电池的成本要低许多（约为硅太阳能电池的1/5~1/10），而工艺简单，性质稳定也理所应当的给太阳能电池的发展带来一次新的变革。

1.2 染料敏化太阳能电池的机构及工作原理

染料敏化太阳能电池是典型的“三明治”结构，由光阳极( 通常为透明导电基底、纳米多孔半导体)、敏化染料、氧化还原电解质( 通常为 I^－/ I₃^－)以及对电极(Pt电极) 组成，其构造和原理如图 1 所示．工作原理如下^[5]:

图1. 染料敏化太阳能电池工作机构和工作原理示意图

（1）当阳光照射在染料敏化太阳能电池上，染料分子中基态电子被激发（S hv→S^*）;

（2）染料分子处于激发态将电子注入到纳米多孔半导体的导带中，而自身转化成氧化态分子（S^*→S e^－）;

（3）由于氧化还原电解质电对低于染料的氧化还原电位的电位，这时处于氧化态的染料分子随即被还原态的电解质还原，即氧化态染料被电解质中的 I^－还原回基态，I^－转化成I₃^－，此过程称为染料的再生或还原（3I^－ 2S →I₃^－ 2S);

（4）向导带中注入的电子在导电玻璃面上迅速富集，向外电路传导，并最终回到对电极上，然后氧化态的电解质扩散到对电极上，得到电子再生（I₃^－ 2e^－(Pt) →3I^－）;如此循环下去，即产生电流。电池的最大电压是由氧化物半导体的费米能级和氧化还原电解质电对的电位决定的。另外，还伴随着两个暗电流的产生过程;

（5）注入导带中的电子与氧化态染料间的电荷复合的过程，与过程（3）中染料的再生存在竞争（S e^－→S);

（6）注入到纳米多孔半导体的导带中的电子与电解液 I－3的电荷复合，在此称为暗电流( I₃^－ 2e^－→3I^－) 。

在研究染料敏化太阳能电池的性能参数时，通过以下几个参数，我们可以系统的分析染料敏化太阳能电池的性能: 短路电流（J_sc），开路电压（V_oc），填充因子（FF），整体的光转换效率（PCE，或η），和单色光光电转换效率(IPCE) 等^[6]。

1.3 纯有机染料敏化剂（D–π–A型染料）

作为染料敏化太阳能电池的关键，染料敏化剂为整个太阳能电池的提供电子，一般来水高性能的染料敏化剂应该有以下几个特性^[7-9]：

（1）染料敏化剂能紧密地在半导体表面上吸附；

（2）染料敏化剂尽可能地在紫外－可见光区，甚至部分近红外区有较强的吸收；

（3）染料敏化剂需要具有比半导体薄膜的禁带宽度更窄禁带宽度；

（4）染料敏化剂的还原态电位要比氧化还原电解质的电位高，而氧化态电位要比半导体的导带电位低；

（5）染料敏化剂的基态、激发态和氧化态应具备良好的光、电化学稳定性和热稳定性。

纯有机染料敏化剂，即不含有任何金属掺杂，只由单纯有机分子构筑而成的染料分子。由于不用掺杂金属，纯有机染料敏化剂分子结构更加多样化，成本也较低，对环境友好。此外，丰富的结构，加上较大的吸光系数，为设计满足不同波长的吸收的染料敏化剂也提供了近乎无限的可能。因此，也成为了一种具有很大潜力的新型染料。

我们之所以称纯有机染料敏化剂为D–π–A型染料是因为此类染料都具有维拉电子（D–π–A）结构，即染料分子由电子给体（Donor），π－共轭桥( π － Conjugated) ，电子受体( Acceptor) 三部分构成^[10],图2向我们展示了D–π–A结构。拥有D–π–A结构的染料分子，在电子受体，π－共轭桥，电子给体进行组合，并不断调换任意一种，组成新的分子。

图2. D–π–A型染料分子结构

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