D-π-A-π-A结构有机光敏染料的合成及其在太阳能光电转化和光解水制

有机光电材料与有机光电器件苑嗣纯;葛兴;赵建庄【摘要】近年来,有机光电子学在基础研究和应用方面取得了突飞猛进的发展,已经成为一个较为成熟的跨学科新兴领域.主要介绍有机光电材料的分子结构、导电与发光机理、有机光电器件的分类与工作原理以及有机光电材料在光电器件方面的应用,包括有机发光二极管和发光电化学池、有机太阳能电池、有机场效应晶体管、有机生物化学传感器、有机光泵浦激光器以及有机非线性光学材料等.【期刊名称】《北京农学院学报》【年(卷),期】2010(025)003【总页数】6页(P75-80)【关键词】有机光电子学;有机光电材料;有机光电器件【作者】苑嗣纯;葛兴;赵建庄【作者单位】北京农学院,基础教学部,北京,102206;北京农学院,基础教学部,北京,102206;北京农学院,基础教学部,北京,102206【正文语种】中文【中图分类】O621.22光和电的物理本质和内在联系自19世纪以来也已被逐渐阐明。

电能的应用彻底改变了人类的历史进程,从最初电灯的发明到依托电力的现代机器大工业的蓬勃发展,它使得人类文明以难以置信的速度飞跃前进。

而更为古老的光学,则在人们认识到其波动和量子性相统一及现代激光技术诞生的基础上从经典光学进入了现代光学的新纪元。

光电(包括磁)现象的本质是紧密联系的,两者在一定条件下可以相互转化,现今已有大量具特殊光电性能的材料被人们所研究。

1 有机光电材料自20世纪70年代以来,基于有机(高)分子的光、电、磁功能材料的研究一直受到科技界的高度关注,已经成为化学与材料学科研究的热点(IUPAC认为该方面的研究是21世纪化学重要研究方向之一),并且取得了一系列重大进展。

如20世纪70年代发现了有机导体,80年代发现了超导体,90年代发现了有机铁磁体和高效的有机发光材料。

同时,这些有机功能材料在器件中的应用也取得了很大的进展。

固态有机化合物一般属于共价化合物,在原子通过共价键形成分子之后依靠较弱的分子间范德华作用力维系,稳定性较差,载流子不易传输,长久以来一直被认为只能是绝缘体。

光敏材料分类及用途
光敏材料是一种能够对光线进行感应和产生化学反应的材料。

根据其化学性质和用途的不同，可以将光敏材料分为几类。

1. 光敏聚合物
光敏聚合物是一种特殊的聚合物材料，其结构中含有光敏基团。

当光线照射到光敏聚合物上时，光敏基团会发生光解或光开环反应，从而引发聚合或解聚合反应。

光敏聚合物广泛应用于光刻技术、三
维打印和可见光催化等领域。

2. 光敏染料
光敏染料是一种能够吸收特定波长光线并在光照下发生化学反
应的染料。

光敏染料常用于光敏剂、光开关和光敏电池等器件中。

它们具有吸收光线并转化为化学能的能力，可以用于太阳能电池、
光催化和光疗等应用。

3. 光敏半导体材料
光敏半导体材料是一类能够吸收光能并产生电子-空穴对的材料。

这些材料通常是半导体晶体，如硅、硒化铟等。

光敏半导体材料常用于光电探测器、光敏传感器和光电二极管等器件中，用于转化光信号为电信号。

4. 光敏涂层材料
光敏涂层材料是一种涂覆在基材上的光敏材料。

这类材料通常包含光敏剂或光敏染料，通过光照使其发生化学反应，从而实现对基材的功能性改变。

光敏涂层材料广泛应用于光刻、光纤传感和光学信息存储等领域。

光敏材料在诸多领域中发挥着重要作用，包括光电子技术、光催化、信息存储和医学等。

随着科学技术的不断发展和创新，我们可以期待光敏材料在更多领域中带来新的应用和突破。

染料敏化太阳能电池实验报告(共9篇) 染料敏化太阳能电池实验天然染料敏化TiO2太阳能电池的制备及光电性能测试姓名：蓝永琛班级：新能源材料与器件学号：20112500041一、实验目的1. 了解染料敏化纳米TiO2太阳能电池的工作原理及性能特点。

2. 掌握合成纳米TiO2溶胶的方法、染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法以及电池的组装方法。

3. 掌握评价染料敏化太阳能电池性能的方法。

二、实验原理略三、仪器与试剂一、仪器设备可控强度调光仪、紫外-可见分光光度计、超声波清洗器、恒温水浴槽、多功能万用表、电动搅拌器、马弗炉、红外线灯、研钵、三室电解池、铂片电极、饱和甘汞电极、石英比色皿、导电玻璃、镀铂导电玻璃、锡纸、生料带、三口烧瓶（500mL）、分液漏斗、布氏漏斗、抽虑瓶、容量瓶、烧杯、镊子等。

二、试剂材料钛酸四丁酯、异丙醇、硝酸、无水乙醇、乙二醇、乙腈、碘、碘化钾、TBP、丙酮、石油醚、绿色叶片、红色花瓣、去离子水四、实验步骤一、TiO2溶胶制备目前合成纳米TiO2的方法有多种，如溶胶-凝胶法、水热法、沉淀法、电化学沉积法等。

本实验采用溶胶-凝胶法。

（1）在500mL的三口烧瓶中加入1：100（体积比）的硝酸溶液约100mL，将三口烧瓶置于60-70oC的恒温水浴中恒温。

（2）在无水环境中，将5mL钛酸丁酯加入含有2mL异丙醇的分液漏斗中，将混合液充分震荡后缓慢滴入（约1滴/秒）上述三口烧瓶中的硝酸溶液中，并不断搅拌，直至获得透明的TiO2溶胶。

二、TiO2电极制备取4片ITO导电玻璃经无水乙醇、去离子水冲洗、干燥，分别将其插入溶胶中浸泡提拉数次，直至形成均匀液膜。

取出平置、自然晾干，再红外灯下烘干。

最后在450oC下于马弗炉中煅烧30min 得到锐态矿型TiO2修饰电极。

可用XRD粉末衍射仪测定TiO2晶型结构。

三、染料敏化剂的制备和表征(1) 叶绿素的提取采集新鲜绿色幼叶，洗净晾干，去主脉，称取5g剪碎放入研钵，加入少量石油醚充分研磨，然后转入烧杯，再加入约20mL石油醚，超声提取15min后过滤，弃去滤液。

A-D-A型分子设计合成、聚集结构与光电性能研究给体-受体(D-A)型分子中推电子给体(D)和拉电子受体(A)相连,能够增强分子共轭,拓宽吸收光谱,降低分子带隙,被广泛用于光电研究领域。

D-A分子的光电性质不仅与单分子性质有关,与分子间相互作用亦有很大关系。

通过改变D单元与A单元的结构以及二者之间的扭转角可以有效调控分子的电子结构,控制D-A分子内电荷转移激发过程。

D-A分子间的堆积结构受分子间π-π相互作用、分子间电荷转移(CT)相互作用等多重相互作用的共同影响,分子堆积结构对发光性能与电荷迁移性能都具有极其重要的影响。

本论文基于引达省并二噻吩(IDT)和引达省并二噻吩并[3,2-b]噻吩(IDTT)为中心核推电子给体(D)与苯酰亚胺(BI)和萘酰亚胺(NI)为端基拉电子受体(A),设计合成了一系列通过单键相连的具有A-D-A型结构特征的分子体系,通过分子结构设计调控分子间相互作用的类型,深入探讨了分子间π-π相互作用(含CT相互作用)、分子间氢键对分子聚集结构的影响规律,进一步研究了不同聚集结构及金属有机化学键对材料光电性能的影响。

结合不同分子体系的聚集结构与光电性能,将上述材料分别用于光伏器件中的活性层与界面层,制备了有机太阳电池器件并研究了电池性能。

A-D-A分子内存在很强的电荷转移激发过程,该激发过程通常受到A-D-A分子间π-π相互作用的影响。

我们发现A-D-A分子中端基拉电子受体(A)为苯酰亚胺基团(BI)时,端基引入的空间位阻较小,导致D、A基团间扭转角较小,有利于分子间形成较大的p-轨道重叠,一个分子的A单元与相邻分子的D单元间重叠较大(CT相互作用),且π-π相互作用距离较小,分子间电荷转移较强;而当A-D-A分子中端基拉电子受体(A)为萘酰亚胺基团(NI)时,端基引入的空间位阻较大,导致D、A基团间扭转角较大,分子内D、A基团间较大的扭转角能够有效抑制分子端基A单元与分子内核D单元之间的CT相互作用,从而更易形成相邻分子的端基A 之间的π-π相互作用,其p-轨道重叠面积较小。

染料敏化太阳能电池概述染料敏化太阳能电池（Dye-Sensitized Solar Cells，DSSCs）是一种新型的太阳能转换技术，利用有机染料将太阳光转化为电能。

相比于传统的硅基太阳能电池，染料敏化太阳能电池具有成本低、制备简单、柔性可调、较高的光电转换效率等优势，因此在太阳能领域引起了极大的关注。

工作原理染料敏化太阳能电池的工作原理基于光生电化学效应。

首先，太阳光穿过负载染料的半透明电极，并被染料吸收。

吸收光的染料分子会产生激发态电子，在紧随其后的电解质中获得电子并转移到染料颗粒表面的半导体纳米晶粒中。

然后，电子从半导体纳米晶粒中通过电解质转移到透明导电玻璃电极上，并通过外部电路回流到半透明电极上的电子空位。

这个光生电子转移和电荷回流的过程形成了一个光电转换的闭合回路，从而产生出可用的电能。

结构组成染料敏化太阳能电池主要由光电极、电解质和透明导电玻璃电极构成。

光电极光电极是染料敏化太阳能电池的关键组成部分，其中包含染料、半导体纳米晶粒和电子传输材料。

染料通过吸收光能将其转化为激发态电子，而半导体纳米晶粒则负责接收和传输这些电子。

电子传输材料位于半导体纳米晶粒和透明导电玻璃电极之间，起到连接和传输电子的作用。

电解质电解质是染料敏化太阳能电池中的离子液体，它能够扩散和传输电子，并且具有足够的氧化还原能力。

常用的电解质有有机液体和无机液体两种。

透明导电玻璃电极透明导电玻璃电极位于DSSCs的底部，通常由锡氧化物（SnO2）或氟化锡（FTO）等材料制成。

透明导电玻璃电极的作用是提供一个支撑底座，以及给流经DSSCs的太阳光提供一个透明的通道。

制备方法光电极制备光电极的制备主要包括染料吸附、半导体纳米晶制备以及电子传输材料的涂布等步骤。

首先，将染料溶液涂覆到透明导电玻璃电极上，并通过烘烤步骤将染料固定在电极上。

然后，将半导体纳米晶溶液涂覆到染料覆盖的电极上，并进行烧结使纳米晶粒固定在电极上。

最后，涂布电子传输材料，形成光电极。

染料敏化太阳能电池的基本结构和工作原理与传统的莊堪K阳能取池相比・DSSC低廉的成也简单的制备过外吸啪了大fit的研究者的研究冃光.在转换机理上，具有很人泾别，对丁DSSG染料分子紂到光能斤从堪态能级跃迁到激发态能级，并产41光电&然麻光电十注入到半导体的导带口染料分子墓态与激发态的能戢羞与pn结的帯隙郴近。

祥吐了空冗对的分离方代［:, DSSC也卜jfclipn结太阳傥山池不|,ib ；|；者獺的是内处电场，|fuDSSC则矗染料分『激发态能级仃T导-体彳带能级的能最斥E r以及染料分f堆态能级利电解液屮輒化述悚对的化学势间的能址)：■■■.E2・这两种能级幷的L L配便得电f•的传输彳計以噸利进行，从血产聖光迫流"DSSC两端的比也I 〔來源于半导体朮阳极溥膜的费米能级^'L L M液屮械化述原对的化学孙Z於。

山J DSSC«：眛的能扯转换机网「町以便紂D阴C所使用的半导体材料价格较低、制备工艺也和对简也总Z, DSSCH仃成木低.1.2简单的优点,这足其它朮伏产品尢法比拟的。

随联技术的不断进步*英11好的“训询就必将显现出頼他出的坏境问题得到改執 1.2.1 DSSC 结构DSSC的结构如图1-1所屆叮分为以卜儿个部分;FTO或ITOT电圧底、丫学休光阳极薄膜、染料敏化剂、电解液和对电极.(I)导电腿底：DSSCI'采川的导电施底I型肚掺姒的讯化做FTO)导电玻璃.Ilf tll/i：评通玻屈I:镀上甘电膜制成,透光率咸AJ 85%* I'儿欧加;等的方块1 LN L +热稳龙性良好，用r收集和传输电&⑵半导体光阳极薄膜(Photoanode)：半导休薄膜光阳极-方啲是比敏化剂的载体, 另外也是电于的获得和传输介质，右效的半导休光阳极曲胶应壮仃以卜和硕：① 所川半导体VI化物、染料嫩化剂、电解液油冊的能级2；|回1：②半吕休光阳极薄膜应黒可能多的吸附染料分&以吸收匹多比厲③朮阳极薄般Gill解液、迫解液口对电极、光阳删膜9料屯肚底何须按触及好，从而实现电了的转移过和,⑶染料敏化剂(Dye)；染料敏化刑是D気C吸收光能的关键閣做理想的嫩化剂应满足:①以吐宽的处清响应和尽坡大的摩尔消处系数；②激发恳的能级位「比阳极所用乍导体沖膜的呂带战能级之上.便得光电子町注入半出体导肿I"③训平网的附着在半导体薄喷1：；④典力介理的辄化还原电协，便注入ffiiur能号电解液屮的・给体反应:使染料分r还原映I】⑤！⑷血够的穏定性° I川拘F究校多的緻化剂R4I W J机金属配介物和纯有机物敬化剂、无机纳米半导体欣化剂以及天然染料。

材料的光催化材料和催化应用光催化材料是一种能够利用光能进行催化反应的材料。

它具有优异的光吸收性能和催化性能，能够在可见光或紫外光的激发下有效地促进各种催化反应。

这使得光催化材料在环境污染治理、能源转化和有机合成等领域具有广泛的应用前景。

本文将重点介绍光催化材料的种类及其在催化应用中的潜力。

一、光催化材料的种类1. 半导体纳米材料半导体纳米材料是最常见的光催化材料之一。

常见的半导体纳米材料包括二氧化钛（TiO2）、二氧化锌（ZnO）和氧化铈（CeO2）等。

这些材料能够吸收光能，产生电子-空穴对，并通过光生电子-空穴对参与催化反应。

其中，二氧化钛被广泛研究和应用于光催化领域，具有良好的稳定性和催化性能。

2. 金属有机骨架材料金属有机骨架材料（MOFs）是由金属离子或簇以及有机配体通过配位作用形成的晶态材料。

MOFs具有高度可调性和多样性的结构，可用于构建具有特定功能和催化性能的光催化材料。

例如，MOFs可通过调控金属中心和配体的选择、拓扑结构的设计来实现对光催化性能的调控。

3. 光敏染料材料光敏染料材料是一类可以吸收可见光或紫外光的有机染料。

它们通常具有特殊的光物理性质，如光吸收、光致发光和光电转换等。

光敏染料材料能够通过光激发后产生激发态分子，并与物质相互作用，从而促进催化反应的进行。

一些光敏染料材料已经被应用于光催化水分解、有机合成等领域。

二、光催化材料的催化应用1. 污水净化光催化材料在污水净化中具有重要的应用潜力。

通过光催化反应，光生电子-空穴对可以与污染物发生催化反应，降解有机物和杀灭细菌等。

特别是二氧化钛等半导体纳米材料在可见光的激发下也能够发挥有效的催化作用，拓展了光催化材料在环境污染治理领域的应用范围。

2. 太阳能光解水产氢光解水产氢是一种清洁、可持续的能源转化方式。

光催化材料可利用太阳能将水分解为氢气和氧气，将可再生的太阳能转化为储存能。

半导体纳米材料如二氧化钛和二氧化锌等在光解水产氢中表现出优异的催化性能，可被用于制备高效的光催化水分解催化剂。

文章编号：2096-3424（2021）01-0092-03DOI ：10.3969/j.issn.2096-3424.20046基于多齿菲咯啉配体的Cu(I)和Ru(II)光敏剂研究樊晓楠， 姚子健（上海应用技术大学 化学与环境工程学院，上海 201418）Multidentate Phenanthroline Ligands and Their Resulting Cu（I）and Ru（II）Photosensitizers：A Comparative StudyFAN Xiaonan ， YAO Zijian（School of Chemical and Environmental Engineering, Shanghai Institute of Technology,Shanghai 201418, China ）基于过渡金属配合物的光敏剂因其优越的光物理性能和电化学性能而受到了广泛的关注[1]。

这些化合物已成功用于各种光子应用，例如染料敏化太阳能电池（DSSC ）[2]，有机发光二极管（OLED ）[3]以及光氧化还原催化[4]。

Ru （II ）聚吡啶配合物因其高化学稳定性、对可见光的强吸收性以及可调节的氧化还原性，在合成化学和催化剂设计等领域有着广泛的应用[1]。

但钌是稀有的贵金属（在地壳中仅为0.001 ×10–6），这限制了Ru （II ）光敏剂在太阳能转化中的应用。

因此，发光Cu （I ）配合物作为一种有前景的配合物越来越受到人们的关注[5-10]。

然而，同配和异配的Cu （I ）化合物各有不同的优点和缺点[2, 8-9, 11]。

所有Cu （I ）配合物的共同特征是具有扭曲的四面体基态结构[2, 9]。

在光的刺激下，从Cu （I ）的3d 轨道到二亚胺配体的π*轨道发生了金属到配体的电荷转移（MLCT ）跃迁[9]。

这导致Cu （I ）到Cu （II ）的形式氧化和一个二亚胺配体的单电子还原。