卟啉类光敏剂在染料敏化太阳能电池中的应用
化学先生 / 2019-09-03
卟啉化合物的分子具有较宽的吸收光谱。且其激发态的能m能够满足后续电尚分离过程的需要，因此可作为吸收光的“天线”分子模拟光合作用，实现光致电荷分离、固碳和光解水等。作为一种“取之不尽、用之不竭”的洁净能源，太阳能的光电转化一直是最近30余年来，清洁能源研究的主要方向之一。
目前应用最广泛的太阳能电池主要是硅系太阳能电池，但高纯度硅半导体难于制备、生产工艺复杂、效率提高潜力有限，其光电转换效率的理论极限值为30%。
此外，严重的光腐蚀作用也果制了硅太阳能电池的发展，其他无机半导体(如TiO2、SnO2等)虽具有较高的光热稳定性，但其禁带宽度较宽，只能吸收紫外光，捕获可见光的能力很弱。
1991 年，瑞士洛桑联邦理工学院的Graetzel教授从人工模拟光合作用的构想出发，首先报道了染料敏化太阳能电池(DSSC)。 他们用有机染料敏化宽带半导体TiO2,可使体系的光谱响应延伸到可见光区，是近10余年来新型太阳能电池研究的热点。它的构造如图9-4所示。在镀有TiO2薄膜的导电玻璃表面(负极)，以有机染料敏化后，依次覆盖有氧化/还原对的电解质薄层和对电极(正极)。最常用的电解质是I3/T-溶液，但由于液体电解质存在封装和漏液等问题，目前也出现了固态和准固态电解质。对电极常用铂，除了导电作用之外，铂电极还能反射光线，增加光吸收，并在正电极上催化由介质中扩散面来的碘还原，从而沿箭头方向形成一个电子回路。染料敏化太阳能电池价格相对低廉，制作工艺简单，拥有潜在的高光电转换效率，所以极有可能取代传统硅系太阳能电池，成为未来太阳能电池的主导。20 世纪90年代初，染料敏化纳米品太阳能电池DSSCs (dyesensitized solar cells)初露锋芒时，其光电转换效率为7.1%~7.9%，随后Graetzel及他的合作者又开发出了光电能量转换效率达10%~11%的DSSCs。目前，在标准条件下，染料敏化太阳能电池的能量转化效率已达到11. 2%。
如果你知道树叶的结构， 你会很好地理解DSSCs.从结构上来看，DSSCs就像人工制作的树叶，只是植物中的叶绿素被光敏化剂所代替，而纳米多孔半导体膜结构则取代了树叶中的磷酸类脂膜。染料敏化纳米晶太阳能电池，完全不同于传统硅系半导体结太阳能电池装置，它的光吸收和电荷分离传输分别是由不同物质完成的，光吸收是靠吸附在纳米半导体表面的类似于叶绿素的染料，半导体仪起电荷分离和传输载体的作用，它的载流子不是由半导体产生而是由染料产生的。
卟啉化合物无论是单分子还是聚合物，在各种染料太阳能电池中都可应用，特别是用卟啉作为光敏剂的敏化纳米晶太阳能电池性能突出。目前，研究最多的间位四(对羧基苯基)卟啉(TCPP)及其金属配合物(M-TCPP)， 分子激发态寿命较长(> Ins), HOMO和LUMO能级高低合适，是较为理想的DSSCs染料候选化合物。
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