用于染料敏化太阳能电池的小分子有机染料制造技术

本发明专利技术公开了一种用于染料敏化太阳能电池的小分子有机染料，将（取代）苯基通过双键或者三键引入到三苯胺单元，得到了一系列共轭拓展型的小分子有机染料，并通过系统的研究基于这些染料的太阳能电池的光学，电化学性质和光伏参数，发现相比于传统的金属配位染料，本发明专利技术合成的染料显示出良好的性能，如更好的摩尔消光系数、更高的短路光电流密度和更高的光电转换效率，且所述染料易于合成，成本低廉，显示出潜在的替代贵金属光敏化剂的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
用于染料敏化太阳能电池的小分子有机染料
本专利技术涉及染料敏化太阳能电池敏化剂的合成及应用领域，具体涉及一种共轭拓展型的小分子有机染料。
技术介绍
随着社会的飞速发展，人类对于能源的需求进一步增加。传统能源，如石油、天然气、煤炭的大量使用，不仅污染了全球的环境，还导致了全球气候变暖和温室效应等问题。因此，各种新能源的开发应运而生，在各种新能源开发的方案中,太阳能以其环保、可再生、能量蕴藏大等多方面的优势显示出巨大的优越性。自从瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的研究团队于1991年开发出染料敏化纳米级二氧化钛太阳能电池以来，在这个领域开展了大量的研究。在研究与探索的过程中，我们发现DSSC与传统的太阳电池相比有以下一些优势：①寿命长：使用寿命可达15-20年；②结构简单、易于制造，生产工艺简单，易于大规模工业化生产；③制备电池耗能较少，能源回收周期短；④生产成本较低，仅为硅太阳能电池的1/5～1/10，预计每峰瓦的电池的成本在10元以内；⑤生产过程中无毒无污染。作为电池的重要组成部分，光敏剂染料能够有效地吸收太阳光，并由此产生激发电子，然后注入到二氧化钛等半导体的导带中，因此染料的光电性能对染料敏化太阳能电池的光电转换效率有着至关重要的影响。目前，基于钌配合物的染料敏化太阳能电池的光电转换效率可达11％，但由于其价格高昂、污染较大等方面的缺点限制了它的实际应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种小分子有机染料，该染料相比于以往的金属配位化合物染料具有更高的摩尔消光系数和光电转换效率，能够显著增强太阳能电池的效率。本专利技术所述的小分子有机染料，其化学结构通式如下式(1)所示：式中，[]中代表双键或者三键，Ar为如下结构，其中，R1代表氢原子，烃基或者烷氧基。作为一个总的技术构思，本专利技术提供一种用于制备上述目标化合物的合成方法，包括如下步骤：步骤1：在氮气保护下，将化合物A和化合物B在碳酸钾存在下发生Suzuki或Sonogashira反应制备化合物C的步骤，其中，R2代表双键或者三键；步骤2：在氮气保护下，将化合物C与氰基乙酸在催化剂CH3COONH4存在下发生Knoevenagel缩合反应制备目标产物的步骤，进一步的，步骤1中，化合物A与碳酸钾的摩尔比为1：8～8.1；化合物A与化合物B的摩尔比为5:12～12.5。进一步的，步骤1中，当化合物B的R2为双键时，所述反应在催化剂Pd(PPh3)4存在下发生Suzuki反应，化合物A与Pd(PPh3)4的摩尔比为10：1～1.2，反应温度为90～100℃。进一步的，步骤1中，当化合物B的R2为三键时，所述反应在催化剂Pd(PPh3)2Cl2和CuI存在下发生Sonogashira反应，化合物A与Pd(PPh3)2Cl2的摩尔比为10～10.1:1，化合物A与CuI的摩尔比为28～28.5:1，反应温度为室温。进一步的，步骤1中，所述反应体系以1,4-二氧六环和H2O的混合液作为反应溶剂。进一步的，步骤2中，化合物C与CH3COONH4的摩尔比1：2.4～3，化合物C与氰基乙酸的摩尔比为10:19～19.2，乙酸作为溶剂。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点:本专利技术合成的三种染料分子具有长的共轭D-π-A结构，同时分子中含有氰基和羧基，吸电子基团是氰基乙酸，而该染料中含有羧基可以和半导体纳米以化学键的形式结合，有助于染料固定在电池中，同时还有利于电子的传输，再加上共轭长度的增加使其成为太阳能电池敏化剂较为理想的材料。更为重要的是，这些化合物合成路线简单、反应条件温和、后处理简单方便且产率较高。因此该类染料在染料敏化太阳能电池领域中具有广阔的开发和应用前景。附图说明图1为基于化合物FWD1～3的有机染料敏化太阳能电池的光电流密度-电压曲线。具体实施方式染料的合成：除非另有说明，所有反应均在氮气气氛下进行。实施例1化合物FWD2的制备化合物FWD2根据以下路线获得：中间产物2的合成向圆底烧瓶中加入(1470mg,2.80mmol)，Pd(PPh3)4(325mg,0.28mmol)，K2CO3(3100mg,22.4mmol)和苯乙烯(821mg,6.72mmol)，1,4-二氧六环((32mL)和H2O(8mL)，将混合物在90℃下搅拌过夜。冷却后，将反应混合物用二氯甲烷萃取。有机相用无水Na2SO4干燥。过滤后，通过旋转蒸发除去溶剂。所得粗产物借助于使用石油醚/二氯甲烷(1:1，v/v)的混合物作为洗脱剂的硅胶快速色谱法纯化，获得1220mg的中间产物1(产率91.2％)，为黄色固体。所述中间产物2借助于1HNMR(300MHz,CDCl3)表征，获得以下光谱：δ:7.08(s,2H),7.09(s,2H),7.12(d,J＝8.5Hz,2H),7.16(d,J＝8.5Hz,4H),7.28(d,J＝8.5Hz,2H),7.37(t,J＝7.5Hz,4H),7.48-7.52(m,8H),7.72(d,J＝8.5Hz,2H),9.84(s,1H)。化合物FWD2的合成向圆底烧瓶中加入中间产物2(860mg，1.80mmol)，乙酸铵(333mg，4.32mmol)，氰基乙酸(291mg，3.42mmol)和乙酸(40mL)，加热回流5小时。冷却后，将混合物倒入200mL水中。经过滤后，残余物用二氯甲烷重结晶，得到411mg红色固体FWD2(产率42.0％)。所述化合物FWD2借助于1HNMR(300MHz,CDCl3)表征，获得以下光谱：δ:7.01(d,J＝8.7Hz,2H),7.18-7.31(m,10H),7.38(t,J＝7.5Hz,4H),7.59-7.67(m,8H),7.96(d,J＝9.0Hz,2H),8.17(s,1H)13.62(br,1H).13CNMR(125MHz,DMSO)δ:98.57,117.07,119.70,123.85,126.04,126.54,127.63,128.06,128.39,128.78,132.93,134.18,137.09,144.53,151.22,153.26,164.18.HRMS(ESI-)m/z:calcdfor(M-H)-C38H27N2O2-:543.2078,found:543.2084.实施例2化合物FWD3的制备化合物FWD3根据以下路线获得：化中间产物3的合成向圆底烧瓶中加入(1470mg,2.80mmol)，Pd(PPh3)2Cl2(325mg,0.28mmol)，K2CO3(3100mg,22.4mmol)，CuI(53mg，0.10mmol)和苯基乙炔(600mg，6.16mmol)，甲苯(40mL)和二异丙基胺(5mL)，并将混合物在室温下搅拌过夜。然后将反应混合物用二氯甲烷萃取。有机相用无水Na2SO4干燥。过滤后，通过旋转蒸发除去溶剂。所得粗产物借助于使用石油醚/二氯甲烷(1:1，v/v)的混合物作为洗脱剂的硅胶快速色谱法纯化，获得1250mg的中间产物3(产率84.8％)，为黄色固体。所述中间产物3借助于1HNMR(300MHz,CDCl3)表征，获得以下光谱：δ:7.11-7.15(m,6H),7.34-7.36(m,6H),7.48-7.54(m,8H)本文档来自技高网...

【技术保护点】
小分子有机染料，其特征在于，其化学结构通式如下式(1)所示：

【技术特征摘要】
1.小分子有机染料，其特征在于，其化学结构通式如下式(1)所示：式(1)中，[]中代表双键或者三键，Ar为如下结构，其中，R1代表氢原子，烃基或者烷氧基。2.一种小分子有机染料的合成方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：在氮气保护下，将化合物A和化合物B在碳酸钾存在下发生Suzuki或Sonogashira反应制备化合物C的步骤，其中，R2代表双键或者三键；步骤2：在氮气保护下，将化合物C与氰基乙酸在催化剂CH3COONH4存在下发生Knoevenagel缩合反应制备目标产物的步骤，3.如权利要求2所述的小分子有机染料的合成方法，其特征在于，步骤1中，化合物A与碳酸钾的摩尔比为1：8～8.1；化合物A与化合物B的摩尔比为5:12～12.5。4.如权利要求2所述的小分子有机染料的合成方法，其特征在于，步骤1中，当化合物B的R2为双键时，所述反应...

【专利技术属性】
技术研发人员：方敬坤，鲍本州，王昊彬，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32