基本信息
- 项目名称：
- 染料敏化太阳能电池方酸菁光敏染料的合成及性能研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本课题首先合成染料中间体（N-对羧基苄基-2,3,3-三甲基-3H-吲哚啉-5-磺酸钾），设计合成了方酸菁染料，并通过色谱柱分离提纯产品，得到不对称方酸菁染料。通过氢核磁共振、质谱和红外光谱确认了该染料的结构；研究了产品的紫外-可见吸收、荧光发射光谱性能；进行了光电性能的测试。
- 详细介绍：
- 本课题设计合成了新型不对称方酸菁染料，其结构特点是分子中的吲哚环氮位上含对羧苄基。以全氯丁二烯为原料，以吗啉为催化剂经环合、酸化合成得到方酸，将其与N位含对羧苄基的吲哚啉和N位含甲基的吲哚啉缩合得到不对称方酸菁染料；用硅胶色谱柱分离提纯产品，并讨论了洗脱剂的配比，其中当正丁醇：吡啶：水的体积比为3.5:0.9:1时分离效果最佳。通过氢核磁共振、质谱和红外光谱确认了染料的结构；研究了产品的紫外-可见吸收、荧光发射光谱性能，产品水溶液的紫外-可见光最大吸收波长为622 nm，荧光发射最大波长为636 nm；用SQ2配制成浓度≥7×10-4 mol·L-1敏化涂有TiO2膜的导电玻璃，制备成光阳极，和碳电极组成光电转换装置。氙灯光的照射下测得光电压为93.8 mV，光电流为0.17mA，而没有敏化的电池测得光电压为3.71 mV，光电流为0.01mA。
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撰写目的和基本思路
- 环境污染和能源危机已成为关系人类健康和可持续发展亟待解决的问题，而太阳能作为清洁的能源可以替代目前相对污染较大的化石能源。目前，对太阳能的利用形式主要是太阳能电池。染料敏化纳米晶体太阳能电池因其制作方法简单，成本较低，研究空间较大，科研工作者通过对各种各样的有机染料和半导体聚合物进行研究，发现染料敏化太阳能电池的关键是染料的选择。
科学性、先进性及独特之处
- 由于硅系列太阳能电池和化合物太阳能电池成本居高不下，远不能满足大规模推广应用的要求，而染料敏化纳米晶体太阳能电池因其制作方法简单，成本较低，越来越受到人们的重视。科研工作者发现染料的最大吸收波长几乎涵盖了可见光的全部范围，材料选择余地较大，易达到价廉的目标。因此，染料敏化太阳能电池的关键是染料的研发。本课题通过方酸与供电子基团发生缩合反应，得到方酸菁染料。反应过程得到N-对羧苄基。
应用价值和现实意义
- 太阳能相对于其它能源来说具有许多不可比拟的优点。目前，对太阳能的利用形式主要是太阳能电池。太阳能电池包括硅系列太阳能电池、化合物太阳能电池 、染料敏化纳米晶体太阳能电池。由于硅系列太阳能电池和化合物太阳能电池成本居高不下，远不能满足大规模推广应用的要求，而染料敏化纳米晶体太阳能电池因其制作方法简单，成本较低，越来越受到人们的重视。本课题研究不对称方酸菁染料用作染料太阳能电池的敏化剂。
学术论文摘要
- 目前，对无污染能源太阳能的利用形式主要是太阳能电池，而最有研究意义的染料敏化太阳能电池的关键是新型染料的研发。因此对具有低成本，低污染，制作方法简单的方酸菁染料的研究具有重要的意义。本课题以所合成的方酸缩合剂和染料中间体、N-对羧基苄基-2，3，3-三甲基-3H-吲哚啉-5-磺酸钾为原料，以一步法合成得到不对称方酸菁染料，运用薄层色谱法对产物进行分析与分离。产品结构经质谱和核磁共振谱得到初步确认。经荧光光谱和紫外光谱检测，最大紫外吸收波长为619nm,最大荧光发射波长为634nm。因此，研究并提高菁染料的光稳定性具有十分重要的意义。
获奖情况
- 本作品在燕山大学第十五届“世纪杯”大学生课外学术作品竞赛中获得特等奖 本作品在2011河北省“挑战杯”大学生课外学术作品竞赛中获得一等奖
鉴定结果
- 无
参考文献
- 1 车庆林,彭孝军.方酸的合成进展.合成化学 2000,8(1) 2 贺锋涛,冯晓强,张东玲,王兰英,侯洵.三甲川菁染料绿光高密度光存储研究.激光技术.2004,28(5) 3 张莉,杨迈之,高恩勤,乔学斌,郝彦忠,王艳琴,蔡生民.五甲川菁染料的敏化作用及其在 Gr¨atzel 型太阳能电池中的应用.高等学校化学学报.2000,21 4 杨松杰,田禾.菁染料光稳定性研究进展.感光科学与光化学.1999,17(3) 5 王继东,王丽秋.菁染料的研究进展.广东化工.2007,34(2) 6 杨松杰,孟凡顺,陈孔常,田禾,汪文玮.菁染料和份菁染料的合成及其溶液的光稳定性研究.感光科学与光化学.2001,19(3) 7 俞开潮,金玲,程红.七甲川花菁染料的研究进展.合成化学. 8 王剑,王荣仙,郭鹏.苯并吲哚三甲川花菁染料的微波合成.武汉大学学报.2005,51(6) 9 杨小兵,丁松涛,杨裕生,周晓海.近红外激光防护染料.有机化学. 2002,22（1）： 33～41 10 车庆林,彭孝军.方酸菁类功能染料及应用.染料工业.1999,36 (2)： 8～14
同类课题研究水平概述
- 1856年Williamsf发现了菁染料(亦称花菁)，十七年后，Vogel发现该类染料具有异常灵敏的感光能力，从此菁染料得到迅速发展。方酸菁染料最早涉入的领域之一是有机太阳能电池研究方。1991年，Gratzel领导的研究小组研制出用羧酸联吡啶钌(II)染料敏化的二氧化钛纳米晶多孔膜作为光电阳极的化学太阳能光电池，其光电转换效率可以达到7.1％-7.9％，接近了多晶硅光电池的转换效率，但成本仅为硅光电池的1/10-1/5 。几年后，该小组又将光电转换效率提高到10％ 。由于染料在染料敏化太阳能电池中的重要性，近几年，对于新型染料的研究越来越受到人们的关注。菁染料共轭链两端或中间连有杂环、芳环化合物、环烯化合物等，与共轭链组成一个大的π共轭体系，分子内部的氢原子可被一定数目的各类取代基取代，其吸收光谱可通过改变甲川链的长度来调节，摩尔消光系数很大，是重要的合成染料。近年来，激发波长在近红外区的半导体二极管激光器在生产和科研中得到了广泛的应用，这使得与之相匹配的近红外吸收染料成为功能染料研究的热点之一在诸多近红外染料品种中，方酸菁染料以其优异的光学性能，良好的光热稳定性倍受青睐。近十年来，每年都有大量专利和文献报道其应用研究。目前，国内外对方酸菁染料的合成及应用研究方兴未艾，这类染料具有广泛的应用价值和研究前景。
