一种苯基为末端桥链的咔唑共敏剂及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种苯基为末端桥链的咔唑共敏剂及其制备方法，该共敏剂的结构式如下：

A carbazole co sensitizer with phenyl as terminal bridge chain and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种苯基为末端桥链的咔唑共敏剂及其制备方法
本专利技术属于有机共敏剂
，具体涉及以烷基取代咔唑为电子供体、以苯基为末端桥链、以氰基乙酸为吸电子基团的有机共敏剂。
技术介绍
能源危机与环境污染对全球可持续发展提出的挑战日益加剧，开发清洁可再生新能源已经成为世界各国规划中的重大方向。与石化燃料、核能、水能、风能等相比，太阳能具有独特的优势，因其总量大、安全且不受地理条件限制。自1954年美国贝尔实验室成功研制第一个实用硅太阳能电池并用于人造卫星电源以来，太阳能电池研究取得了巨大的进展，现已发展到第三代太阳能电池。其中，染料敏化太阳能电池(DSSCs)的制造工艺简单、成本低、光电转化效率高，是当前太阳能电池领域的一个研究热点。DSSCs的组件包括光阳极、光敏染料、电解质和对电极，而光敏染料主要担负着捕获光子和向TiO2导带注入电子等重要作用，因此它的性能直接影响着DSSCs的光电转化效率。目前，以N719为代表的钌-络合物的DSSCs光电转化效率达到了11％，最近，利用锌-卟啉络合物和三苯胺有机染料共敏化的DSSCs光电转化效率达到了13％。一个理想的光敏染料分子应该能够吸收尽可能多的光电子从而实现全光谱吸收，例如，钌-络合物N749(黑染料)能够捕获920nm以下的光子，其光电转换效率高达11.1％。但是设计一个在整个光谱范围都有吸收的全光谱光敏染料是一项非常困难的工作，此外，通过降低HOMO能级来拓宽光敏染料在近红外区的吸收光谱会使电子注入变得困难，从而降低光电转换效率。专利技术内容本专利技术所要解决的技术问题在于克服上述光敏染料的缺点，提供一种吸收光谱互补的共敏剂，其与N719共敏后，达到同时提高短路电流密度和开路电压的效果，从而进一步提高太阳能电池的光电转换效率；并为该染料提供一种操作简单、收率高的制备方法。解决上述技术问题所采用的技术方案是该共敏剂的结构式如下所示：式中，R为C1～C10的烷基；X为氧或硫。本专利技术优选R代表C6烷基(正己基)，X代表硫。上述苯基为末端桥链的咔唑共敏剂的制备方法为：1、制备式3化合物以甲苯与水的体积比为5:1的混合液为溶剂，将式2化合物、对醛基苯硼酸、四(三苯基膦)钯、碳酸钾按摩尔比为1:1～1.2:0.03～0.05:1.5～2.0反应，100～120℃反应8～12小时，分离纯化产物，得到式3化合物，其化学反应方程式如下：式中X代表氧或硫。2、制备式5化合物以甲苯与水的体积比为5:1的混合液为溶剂，将式3化合物、式4化合物、四(三苯基膦)钯、碳酸钾按摩尔比为1:1～1.2:0.03～0.05:1.5～2.0反应，100～120℃反应8～12小时，分离纯化产物，得到式4化合物，其化学反应方程式如下：式中R代表C1～C10的烷基。3、制备苯基为末端桥链的咔唑共敏剂以冰乙酸为溶剂，将式5化合物、氰基乙酸、乙酸铵按摩尔比为1:1～1.2:1.5～2.0，100～120℃反应3～5小时，分离纯化产物，得到苯基为末端桥链的咔唑共敏剂，其化学反应方程式如下：本专利技术中的苯基为末端桥链的咔唑共敏剂与钌染料N719共敏后，可达到提高短路电流密度和开路电压的双重效果：一方面，苯基为末端桥链的咔唑共敏剂可拓宽敏化太阳电池的吸收谱带范围，从而提高短路电流密度；另一方面，苯基为末端桥链的咔唑共敏剂可抑制注入电子与电解质的复合，从而提高开路电压。短路电流密度和开路电压的同时提高进一步提高了高钌染料N719敏化的太阳能电池的光电转换效率。一种苯基为末端桥链的咔唑共敏剂制备方法简单，成本低，具有广阔的应用前景。具体实施方式下面以实施例对本专利技术进一步详细说明，但本专利技术的保护范围不仅限于这些实施例。实施例1以制备结构式如下的苯基为末端桥链的咔唑共敏剂为例，其制备方法为：1、向三口圆底烧瓶中加入200mL甲苯和40mL水，再加入4.80g(20mmol)式3化合物、3.00g(20mmol)式4化合物、462mg(0.4mmol)四(三苯基膦)钯、4.14g(30mmol)碳酸钾，110℃反应10小时，降至室温，分液，有机相用无水硫酸镁干燥，过滤，蒸除溶剂，剩余物用柱层析分离(洗脱剂为石油醚)，得到式3化合物2.82g，收率53％。其化学反应方程式如下：2、制备式5化合物向三口圆底烧瓶中加入100mL甲苯和20mL水，再加入2.66g(10mmol)式3化合物、3.77g(10mmol)式4化合物、231mg(0.2mmol)四(三苯基膦)钯、2.07g(15mmol)碳酸钾，110℃反应10小时，降至室温，分液，有机相用无水硫酸镁干燥，过滤，蒸除溶剂，剩余物用柱层析分离(洗脱剂为石油醚)，得到式5化合物3.15g，收率72％。其化学反应方程式如下：2、制备苯基为末端桥链的咔唑共敏剂向三口圆底烧瓶中加入10mL冰乙酸，再加入437mg(1mmol)式5化合物、102mg(1.2mmol)氰基乙酸、115mg(1.5mmol)乙酸铵，110℃反应4小时，降至室温，向烧瓶中加入20mL二氯甲烷和20mL水，分液，水相用二氯甲烷萃取两次，合并有机相，用无水硫酸镁干燥，蒸除溶剂，剩余物用柱层析纯化(洗脱剂为石油醚:乙酸乙酯＝3:1的混合液，另加混合液体积1％的乙酸)，蒸除洗脱剂，得到苯基为末端桥链的咔唑共敏剂413mg，收率82％。其化学反应方程式如下：所制备的苯基为末端桥链的咔唑共敏剂的波谱数据为：1HNMR(500MHz,DMSO-d6)δ:8.53(d,J＝1.5Hz,1H),8.31(s,1H),8.26(d,J＝7.5Hz,1H),8.10(d,J＝8.5Hz,2H),7.88(d,J＝8.5Hz,2H),7.78–7.76(m,2H),7.61–7.58(m,3H),7.50(t,J＝8.0Hz,1H),7.26(t,J＝8.0Hz,1H),4.38(t,J＝7.0Hz,2H),1.76–1.73(m,2H),1.26–1.18(m,6H),0.80(t,J＝7.0Hz,3H)ppm.所制备的苯基为末端桥链的咔唑共敏剂在乙腈中溶液中(10–5M)的最大吸收峰位于412nm，摩尔消光系数为34400M–1cm–1。所制备的末端桥链的咔唑共敏剂用于N719染料敏化太阳能电池，具体制备方法如下：将FTO导电玻璃片(14Ω/sq，可见光区的透光率>90％)按以下次序超声清洗：清洁剂、丙酮、去离子水，然后用丝网印刷方法于其上涂一层TiO2浆料，按以下程序烧结制备纳米多孔TiO2工作电极：300℃烧5min、400℃烧5min、450℃烧30min。待降至室温后，将所得纳米多孔TiO2工作电极浸入0.3mmol/L钌染料N719的乙醇溶液中，室温下敏化20h，再置于0.3mmol/L末端桥链的咔唑共敏剂敏化2h。在FTO导电玻璃片上用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种苯基为末端桥链的咔唑共敏剂，其特征在于，该共敏剂的结构式如下所示：/n

【技术特征摘要】
1.一种苯基为末端桥链的咔唑共敏剂，其特征在于，该共敏剂的结构式如下所示：



式Ⅰ中，R为C1～C10的烷基；X为氧或硫。


2.根据权利要求1所述的苯基为末端桥链的咔唑共敏剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制备式Ⅲ化合物
以甲苯与水的体积比为5:1的混合液为溶剂，将式Ⅱ化合物、对醛基苯硼酸、四(三苯基膦)钯、碳酸钾按摩尔比为1:1～1.2:0.03～0.05:1.5～2.0反应，100～120℃反应8～12小时，分离纯化产物，得到式Ⅲ化合物；



其中式Ⅱ化合物的结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：伍致生，王户生，宋新潮，张杰，郭旺军，刘亚东，
申请(专利权)人：西安近代化学研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61