一種蒽基有機染料及其製備方法與流程
2023-06-08 18:05:06 2
本發明涉及染料敏化太陽能電池領域，尤其涉及一種蒽基有機染料及其製備方法。
背景技術：
能源和環保是21世紀的主題，目前我國已是世界上第一大能源進口國，而且礦石類能源消耗所伴生的環境問題如霧靄等也逐漸嚴重，尋求清潔可持續的能源已是當務之急。太陽能作為一種可再生清潔能源，其開發利用是能源研究領域的熱點之一。染料敏化太陽能電池作為太陽能電池的重要一種已得到世界的廣泛關注。1991年，研究組將Amadelli等人報導過的三核釕染料RuL2(μ-(CN)Ru(CN)L′2)2(L為2,2′-聯吡啶-4,4′-二羧酸，L′＝2,2′-聯吡啶)作為敏化劑吸附在他們多年潛心發展的高質量TiO2納晶薄膜上製成器件，獲得了模擬太陽光下7.1％的光電轉換效率，由此開啟了染料敏化太陽電池的研究大幕。與傳統的無機半導體太陽能電池相比，染料敏化太陽電池的製造成本較低，且顏色豐富、美觀，可製成半透明的產品，柔性的染料敏化太陽電池重量較輕，可以摺疊、捲曲可以廣泛應用於日常生活中。目前，可以用於商業化的染料均為含有貴金屬釕的配合物，但是由於釕資源缺乏，因此使釕系材料的成本高昂，嚴重製約了大規模的生產應用，純有機染料已是大勢所趨，目前，國際上純有機染料製備的器件光電轉換效率超過10％只有寥寥幾種，多數的有機染料製備的器件轉換效率都低，且大多數材料合成麻煩、器件加工工藝複雜，因此，制約了純有機染料在染料敏化太陽能電池中發展，並且目前藍色有機染料幾乎很少，限制了在在應用方便的廣泛性和實用性。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明所要解決的技術問題在於提供一種有機染料，本發明提供的有機染料不僅製備方法簡單，而且光電轉化效率高。本發明提供了一種有機染料，具有式(I)結構或式(II)結構，其中，所述Ra為氫、C6～C50的芳基取代的胺基、C6～C50的雜芳基取代的胺基、C6～C50的芳基取代的不飽和烴基、C6～C50的雜芳基取代的不飽和烴基、C1～C36的烷基取代的苯基或C1～C36的烷氧基取代的苯基；所述Rb為式(Rb-1)、式(Rb-2)、式(Rb-3)或式(Rb-4)，其中，x和y獨立的選自0或1；所述A為C6～C30的芳基、C4～C30的含氧雜芳基、C4～C30的含硫雜芳基、C4～C30的含硒雜芳基或C4～C30的含碲雜芳基；所述R2-1、R2-2、R2-3、R2-4獨立的選自H、C1～C36的烷基、C1～C36的烷基取代的苯基或C1～C36的烷氧基取代的苯基。優選的，所述Ra為式(Ra-1)、式(Ra-2)、式(Ra-3)、(Ra-4)、式(Ra-5)、式(Ra-6)或式(Ra-7)，其中，所述Ra-3-3、Ra-3-4、Ra-6-3、Ra-6-4獨立的選自H或C1～C36的烷基；所述Ra-1-1、Ra-1-2、Ra-2-1、Ra-2-2、Ra-3-1、Ra-3-2、Ra-4-1、Ra-4-2、Ra-5-1、Ra-5-2、Ra-6-1、Ra-6-2獨立的選自H、C1～C36的烷基或C1～C36的烷氧基；所述Ra-2-3、Ra-2-4、Ra-2-5、Ra-2-6、Ra-5-3、Ra-5-4、Ra-5-5、Ra-5-6獨立地選自H、C1～C36的烷基、C1～C36的烷氧基取代的苯基或C1～C36的烷基取代的苯基；所述Ra-7-1選自H、C1～C36的烷基或C1～C36的烷氧基；z為0或1。優選的，所述Ra-3-3、Ra-3-4、Ra-6-3、Ra-6-4獨立的選自C6～C30的烷基；所述Ra-1-1、Ra-1-2、Ra-2-1、Ra-2-2、Ra-3-1、Ra-3-2、Ra-4-1、Ra-4-2、Ra-5-1、Ra-5-2、Ra-6-1、Ra-6-2獨立的選自C6～C30的烷基或C6～C30的烷氧基；所述Ra-2-3、Ra-2-4、Ra-2-5、Ra-2-6、Ra-5-3、Ra-5-4、Ra-5-5、Ra-5-6獨立地選自C6～C30的烷基、C6～C30的烷氧基取代的苯基或C6～C30的烷基取代的苯基；所述Ra-7-1選自C6～C30的烷基或C6～C30的烷氧基。優選的，所述A為式(A-1)、式(A-2)、式(A-3)、式(A-4)或式(A-5)，優選的，所述R2-1、R2-2、R2-3、R2-4獨立的選自C6～C30的烷基、C6～C30的烷基取代的苯基或C6～C30的烷氧基取代的苯基。優選的，所述有機染料為式(I-1)、式(II-1)或式(II-2)所示的結構，本發明還提供了一種本發明所述的有機染料的製備方法，包括：將式(III)或式(IV)所示的化合物與式(V)所示的化合物反應，得到式(I)結構或式(II)結構所示的化合物；RbX1式(V)，其中，所述Ra為氫、C6～C50的芳基取代的胺基、C6～C50的雜芳基取代的胺基、C6～C50的芳基取代的不飽和烴基、C6～C50的雜芳基取代的不飽和烴基、C1～C36的烷基取代的苯基或C1～C36的烷氧基取代的苯基；所述A為C6～C30的芳基、C4～C30的含氧雜芳基、C4～C30的含硫雜芳基、C4～C30的含硒雜芳基或C4～C30的含碲雜芳基；所述R2-1、R2-2、R2-3、R2-4獨立的選自H、C1～C36的烷基、C1～C36的烷基取代的苯基或C1～C36的烷氧基取代的苯基；所述Rb為式(Rb-1)、式(Rb-2)、式(Rb-3)或式(Rb-4)，其中，x和y獨立的選自0或1；所述X1為H、Br或I。優選的，所述式(IV)所示結構的化合物按照以下方法製備得到，1)將式(VI)結構的化合物、式(VII)結構的化合物和式(VIII)結構的化合物混合反應，得到式(IX)結構的化合物；其中，R6-1、R7-1獨立的選自Sn(CH3)3-、Sn(n-Bu)3-或硼酸酯基，R8-1、R8-2獨立的選自C1～C8的烷基，X2、X3獨立的選自Cl、Br或I；2)將式(IX)結構的化合物轉化為式(IV)結構的化合物。優選的，所述步驟2)具體為：2-1)將式(IX)結構的化合物轉化為式(X)結構的化合物，2-2)將式(X)結構的化合物轉化為式(IV)所示結構的化合物。優選的，所述步驟2-2)中轉化所用催化劑為大孔強酸性磺酸型聚合物樹脂。與現有技術相比，本發明提供了一種有機染料具有式(I)結構或式(II)結構，本發明提供的有機染料通過將蒽基上修飾Ra和Rb，或者對通過芳基或雜芳基相連的蒽基上修飾Ra和Rb，使得本發明製備得到的有機染料應用於染料敏化太陽電池時，大大提高了其光電轉化效率，實驗結果表明，本發明提供的有機染料製備的太陽能電池功率轉化效率可高達12.0％。而且本發明所述的有機染料的製備方法，製備方法簡單，且原材料來源廣泛、成本低廉、可以實現工業化生產。附圖說明圖1為本發明提供的染料敏化太陽能電池的結構示意圖；圖2為本發明提供的染料敏化太陽能電池中光吸收層的結構示意圖；圖3為本發明提供的染料敏化太陽電池的製作工藝流程圖。具體實施方式本發明提供了一種有機染料，具有式(I)結構或式(II)結構，其中，所述Ra為氫、C6～C50的芳基取代的胺基、C6～C50的雜芳基取代的胺基、C6～C50的芳基取代的不飽和烴基、C6～C50的雜芳基取代的不飽和烴基、C1～C36的烷基取代的苯基或C1～C36的烷氧基取代的苯基；所述Rb為式(Rb-1)、式(Rb-2)、式(Rb-3)或式(Rb-4)，其中，x和y獨立的選自0或1；所述A為C6～C30的芳基、C4～C30的含氧雜芳基、C4～C30的含硫雜芳基、C4～C30的含硒雜芳基或C4～C30的含碲雜芳基；所述R2-1、R2-2、R2-3、R2-4獨立的選自H、C1～C36的烷基、C1～C36的烷基取代的苯基或C1～C36的烷氧基取代的苯基。按照本發明，所述Ra優選為C12～C35的芳基取代的胺基、C12～C35的雜芳基取代的胺基、C12～C35的芳基取代的不飽和烴基、C12～C35的雜芳基取代的不飽和烴基、C5～C30的烷基取代的苯基或C5～C30的烷氧基取代的苯基，更優選為C18～C30的芳基取代的胺基、C18～C30的雜芳基取代的胺基、C18～C30的芳基取代的不飽和烴基、C18～C30的雜芳基取代的不飽和烴基、C10～C20的烷基取代的苯基或C10～C20的烷氧基取代的苯基，最優選的，所述Ra具體為為式(Ra-1)、式(Ra-2)、式(Ra-3)、(Ra-4)、式(Ra-5)、式(Ra-6)或式(Ra-7)，其中，所述Ra-3-3、Ra-3-4、Ra-6-3、Ra-6-4獨立的選自H或C1～C36的烷基；所述Ra-1-1、Ra-1-2、Ra-2-1、Ra-2-2、Ra-3-1、Ra-3-2、Ra-4-1、Ra-4-2、Ra-5-1、Ra-5-2、Ra-6-1、Ra-6-2獨立的選自H、C1～C36的烷基或C1～C36的烷氧基；所述Ra-2-3、Ra-2-4、Ra-2-5、Ra-2-6、Ra-5-3、Ra-5-4、Ra-5-5、Ra-5-6獨立地選自H、C1～C36烷基、C1～C36的烷氧基取代的苯基或C1～C36的烷基取代的苯基；所述Ra-7-1選自H、C1～C36的烷基或C1～C36的烷氧基；z為0或1。按照本發明，所述Ra-3-3優選為C5～C30的烷基，更優選為C7～C20的烷基，最優選為C10～C15的烷基；所述Ra-3-4優選為C5～C30的烷基，更優選為C7～C20的烷基，最優選為C10～C15的烷基；所述Ra-6-3優選為C5～C30的烷基，更優選為C7～C20的烷基，最優選為C10～C15的烷基；所述Ra-6-4優選為C5～C30的烷基，更優選為C7～C20的烷基，最優選為C10～C15的烷基。所述Ra-1-1優選為C5～C30的烷基或C5～C30的烷氧基，更優選為C7～C20的烷基或C7～C20的烷氧基，最優選為C10～C15的烷基或C10～C15的烷氧基；所述Ra-2-1優選為C5～C30的烷基或C5～C30的烷氧基，更優選為C7～C20的烷基或C7～C20的烷氧基，最優選為C10～C15的烷基或C10～C15的烷氧基；所述Ra-3-1優選為C5～C30的烷基或C5～C30的烷氧基，更優選為C7～C20的烷基或C7～C20的烷氧基，最優選為C10～C15的烷基或C10～C15的烷氧基；所述Ra-4-1優選為C5～C30的烷基或C5～C30的烷氧基，更優選為C7～C20的烷基或C7～C20的烷氧基，最優選為C10～C15的烷基或C10～C15的烷氧基；所述Ra-5-1優選為C5～C30的烷基或C5～C30的烷氧基，更優選為C7～C20的烷基或C7～C20的烷氧基，最優選為C10～C15的烷基或C10～C15的烷氧基；所述Ra-5-2優選為C5～C30的烷基或C5～C30的烷氧基，更優選為C7～C20的烷基或C7～C20的烷氧基，最優選為C10～C15的烷基或C10～C15的烷氧基；所述Ra-6-1優選為C5～C30的烷基或C5～C30的烷氧基，更優選為C7～C20的烷基或C7～C20的烷氧基，最優選為C10～C15的烷基或C10～C15的烷氧基；所述Ra-6-2優選為C5～C30的烷基或C5～C30的烷氧基，更優選為C7～C20的烷基或C7～C20的烷氧基，最優選為C10～C15的烷基或C10～C15的烷氧基。所述Ra-2-3優選為C5～C30的烷基、C5～C30的烷氧基取代的苯基或C5～C30的烷基取代的苯基，更優選為C7～C20的烷基、C7～C20的烷氧基取代的苯基或C7～C20的烷基取代的苯基，最優選為C10～C15的烷基、C10～C15的烷氧基取代的苯基或C10～C15的烷基取代的苯基；所述Ra-2-4優選為C5～C30的烷基、C5～C30的烷氧基取代的苯基或C5～C30的烷基取代的苯基，更優選為C7～C20的烷基、C7～C20的烷氧基取代的苯基或C7～C20的烷基取代的苯基，最優選為C10～C15的烷基、C10～C15的烷氧基取代的苯基或C10～C15的烷基取代的苯基；所述Ra-2-5優選為C5～C30的烷基、C5～C30的烷氧基取代的苯基或C5～C30的烷基取代的苯基，更優選為C7～C20的烷基、C7～C20的烷氧基取代的苯基或C7～C20的烷基取代的苯基，最優選為C10～C15的烷基、C10～C15的烷氧基取代的苯基或C10～C15的烷基取代的苯基；所述Ra-2-6優選為C5～C30的烷基、C5～C30的烷氧基取代的苯基或C5～C30的烷基取代的苯基，更優選為C7～C20的烷基、C7～C20的烷氧基取代的苯基或C7～C20的烷基取代的苯基，最優選為C10～C15的烷基、C10～C15的烷氧基取代的苯基或C10～C15的烷基取代的苯基；所述Ra-5-3優選為C5～C30的烷基、C5～C30的烷氧基取代的苯基或C5～C30的烷基取代的苯基，更優選為C7～C20的烷基、C7～C20的烷氧基取代的苯基或C7～C20的烷基取代的苯基，最優選為C10～C15的烷基、C10～C15的烷氧基取代的苯基或C10～C15的烷基取代的苯基；所述Ra-5-4優選為C5～C30的烷基、C5～C30的烷氧基取代的苯基或C5～C30的烷基取代的苯基，更優選為C7～C20的烷基、C7～C20的烷氧基取代的苯基或C7～C20的烷基取代的苯基，最優選為C10～C15的烷基、C10～C15的烷氧基取代的苯基或C10～C15的烷基取代的苯基；所述Ra-5-5優選為C5～C30的烷基、C5～C30的烷氧基取代的苯基或C5～C30的烷基取代的苯基，更優選為C7～C20的烷基、C7～C20的烷氧基取代的苯基或C7～C20的烷基取代的苯基，最優選為C10～C15的烷基、C10～C15的烷氧基取代的苯基或C10～C15的烷基取代的苯基；所述Ra-5-6優選為C5～C30的烷基、C5～C30的烷氧基取代的苯基或C5～C30的烷基取代的苯基，更優選為C7～C20的烷基、C7～C20的烷氧基取代的苯基或C7～C20的烷基取代的苯基，最優選為C10～C15的烷基、C10～C15的烷氧基取代的苯基或C10～C15的烷基取代的苯基。所述Ra-7-1優選為C5～C30的烷基、C5～C30的烷氧基取代的苯基或C5～C30的烷基取代的苯基，更優選為C7～C20的烷基、C7～C20的烷氧基取代的苯基或C7～C20的烷基取代的苯基，最優選為C10～C15的烷基、C10～C15的烷氧基取代的苯基或C10～C15的烷基取代的苯基。按照本發明，所述A優選為C10～C20的芳基、C6～C20的含氧雜芳基、C6～C20的含硫雜芳基、C6～C20的含硒雜芳基或C6～C20的含碲雜芳基，更優選為C14～C18的芳基、C12～C18的含氧雜芳基、C12～C18的含硫雜芳基、C12～C18的含硒雜芳基或C12～C18的含碲雜芳基，最優選為式(A-1)、式(A-2)、式(A-3)、式(A-4)或式(A-5)，按照本發明，所述述R2-1優選為C6～C30的烷基、C6～C30的烷基取代的苯基或C6～C30的烷氧基取代的苯基，更優選為C8～C20的烷基、C8～C20的烷基取代的苯基或C8～C20的烷氧基取代的苯基，最優選為C10～C15的烷基、C10～C15的烷基取代的苯基或C10～C15的烷氧基取代的苯基；所述R2-2優選為C6～C30的烷基、C6～C30的烷基取代的苯基或C6～C30的烷氧基取代的苯基，更優選為C8～C20的烷基、C8～C20的烷基取代的苯基或C8～C20的烷氧基取代的苯基，最優選為C10～C15的烷基、C10～C15的烷基取代的苯基或C10～C15的烷氧基取代的苯基；所述R2-3優選為C6～C30的烷基、C6～C30的烷基取代的苯基或C6～C30的烷氧基取代的苯基，更優選為C8～C20的烷基、C8～C20的烷基取代的苯基或C8～C20的烷氧基取代的苯基，最優選為C10～C15的烷基、C10～C15的烷基取代的苯基或C10～C15的烷氧基取代的苯基；所述R2-4優選為C6～C30的烷基、C6～C30的烷基取代的苯基或C6～C30的烷氧基取代的苯基，更優選為C8～C20的烷基、C8～C20的烷基取代的苯基或C8～C20的烷氧基取代的苯基，最優選為C10～C15的烷基、C10～C15的烷基取代的苯基或C10～C15的烷氧基取代的苯基。更具體的，所述有機染料為式(I-1)、式(II-1)或式(II-2)所示的結構，本發明還提供了一種本發明所述的有機染料的製備方法，包括：將式(III)或式(IV)所示的化合物與式(V)...