[發明專利]一種用于染料敏化太陽能電池材料的咔唑-噻吩類化合物及其制備方法

在審

• 申請號: 201410400119.8
• 申請日: 2014-08-13
• 公開（公告）號: CN104211691A
• 公開（公告）日: 2014-12-17
• 發明（設計）人: 李村;朱維菊;張晴;方敏
• 申請（專利權）人: 安徽大學
• 主分類號: C07D409/04
• 分類號: C07D409/04;C09B57/00;H01G9/20
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產權代理有限公司 34112
• 代理人: 余成俊

技術領域

本發明涉及一種用于染料敏化太陽能電池用材料，具體涉及一種用于染料敏化太陽能電池材料的咔唑-噻吩類化合物及其制備方法。

背景技術

隨著社會科學技術的發展，能源緊缺的現狀愈發明顯，所以人們正在積極探求太陽能這一綠色環保、資源豐富的能源來解決能源枯竭的問題。太陽能電池是一種將太陽能轉化成電能的裝置，在過去的幾十年中，太陽能電池得到了很快的發展。其中無機太陽能電池的研究最為成熟，市場化程度最高。無機太陽能電池主要以晶體硅和無機化合物等半導體作為光敏材料，其優異的性能在航空、航天等高技術領域占據著無法取代的地位。但其制備成本高、工藝復雜、質量大、柔韌性差，難以大面積制備等缺點，很大程度上限制了它的應用。而染料敏化太陽能電池的優勢為原材料豐富、成本低、工藝技術相對簡單，同時所有原材料和生產工藝都是無毒、無污染的，部分材料可以得到充分的回收，對保護人類環境具有重要的意義，因此受到廣大研究者的廣泛關注。

有機光敏染料是染料敏化太陽能電池的核心部分，對可見光的強吸收從而將體系的光譜響應延伸到可見區。有機光敏染料金屬配合物具有非常高的化學穩定性，然而這些金屬多為稀有金屬，有毒且價格昂貴。純有機染料敏化劑不含中心金屬離子，具有種類繁多、成本較低、摩爾消光系數高、便于進行結構設計和電池循環易操作等優點，近些年來得到較快的發展。有機染料敏化劑一般是由供體(D)-共軛橋(π)-受體(A)結構組成，供體(D)借助于共軛橋(π)將電子傳到受體(A)，最終完成電子的有效傳輸。染料的電子供體、共軛體系和電子受體均可獨立修飾，這樣可以通過多種途徑來改變染料的結構。純有機染料的電子供體一般是芳胺類衍生物，如三苯胺、吲哚、咔唑等，電子受體中一般需含強吸電子基團，如羧基等，這樣可以保證染料分子與半導體薄膜TiO₂的緊密結合，到目前為止，應用較多的是繞丹寧-3-乙酸或者氰基丙烯酸這兩種。除此之外，還可以通過增大共軛體系，如增加次甲基數目可以使染料的吸收光譜紅移，但共軛體系的增加的同時也導致了染料合成步驟的復雜和染料穩定性的降低，為了增大共軛系統且不影響染料分子的穩定性，我們可以引入苯、噻吩、呋喃、吡咯等芳香基團來代替次甲基。向D體系引入富電子基團同樣可以拓寬染料光譜響應。最后，還可以增加受體A的吸電子能力，使染料吸收光譜發生紅移，擴大長波方向上的光響應。總之，用作太陽能電池的染料必須具有吸收系數高、能吸收波長范圍較寬的光、能和半導體結合、具有與電解質較匹配的氧化還原電位以及穩定性好等特點。

在染料敏化太陽電池中得到廣泛應用的有機染料按結構可分為香豆素類染料、吲哚啉類染料、三苯胺類染料、四氫喹啉類染料、二烷基苯胺類染料、芴類染料、二萘嵌苯類染料、卟啉類染料、酞菁類染料、方酸類染料、菁類染料及咔唑類染料等。咔唑是一種含氮的化合物，是典型的富電子基團，因此咔唑衍生物具有良好的空穴傳輸能力和高發光能力。由于含氮、氧等雜環化合物表現出較好的結構多樣性，用雜環化合物修飾咔唑衍生物制備雜環咔唑衍生物具有很好的研究價值和應用前景。

發明內容

本發明的目的是針對上述無機太陽能電池和有機光敏染料金屬配合物存在問題提供一種用于染料敏化太陽能電池材料的咔唑-噻吩類化合物及其制備方法。本發明合成路線簡單、目標物中含有羧基，可與半導體牢固結合，在400?nm以上的可見光區具有強吸收帶，用于敏化太陽能電池可提高對太陽光的吸收率。

本發明采用的技術方案如下：

一種用于染料敏化太陽能電池材料的咔唑-噻吩類化合物，其特征在于，該化合物是由基于咔唑-噻吩的醛與氰基乙酸經Knoevenagel縮合反應得到的含有咔唑-噻吩基團的染料敏化太陽能電池材料，其分子特征是該化合物結構中含有N-取代咔唑基團、噻吩基團、氰基和羧基基團；該化合物具有長的共軛D-π-A結構，同時分子結構中含有氰基和羧基，吸電子基團是氰基乙酸，噻吩基團的引入增加了染料分子的共軛橋長度，是作為太陽能電池敏化劑較為理想的材料；所述咔唑-噻吩類化合物的化學結構式如下：

其中，R是碳原子數目為n＝2-8烷基取代基。

本發明以咔唑為原料，經烷基化得到N-正己基咔唑，N-正己基咔唑經NBS溴代生成3-溴-N-正己基咔唑，經Suzuki偶聯和Knoevenagel縮合合成了染料分子3-(4-氰基丙烯酸噻吩)-N-正己基咔唑。

所述咔唑-噻吩類化合物化合物的合成路線和化學結構式如下：