有机光敏染料的光电能量转换

单层有机光敏染料电极

在染料敏化半导体太阳能电池中，由于一些宽隙的半导体（如TiO2）的禁带宽度相当于紫外区的能量，因而捕获太阳光的能力非常差，无法将其直接用于太阳能的转换。因此人们寻找到一些可以与这些宽隙半导体的导带和价带能量匹配的染料，使其吸附在半导体的表面上，利用染料对可见光的强吸收从而将体系的光谱响应延伸到可见区，这种现象就叫做半导体的染料光敏化作用，而具有这种特性的染料就叫做染料光敏化剂，又叫光敏化染料。

高性能的敏化剂需要具有以下特点：

(1) 能紧密吸附在TiO2表面，要求染料分子中含有羧基、羟基等极性基团；

(2) 对可见光的吸收性能好，在整个太阳光光谱范围内都应有较强的吸收；

(3) 染料分子应该具有比电解质中的氧化还原电对更正的氧化还原电势；

(4) 染料在长期光照下具有良好的化学稳定性，能够完成108次循环反应；

(5) 染料的氧化态和激发态要有较高的稳定性；

(6)激发态能级与TiO2导带能级匹配，激发态的能级高于TiO2导带能级，保证电子的快速注入；

(7) 染料分子能溶解于与半导体共存的溶剂。

金属钌（Ru）的联吡啶配合物系列、金属锇（Os）的联吡啶配合物系列、酞菁和菁类系列、卟啉系列、叶绿素及其衍生物等都可作为光敏化染料。

有机光敏染料的光电能量转换

自然界绿色植物的光合作用是已知最为有效的太阳光能转换体系。许多人利用类似 叶绿素分子结构的有机光敏染料设计人工模拟光合作用的光能转换体系，进行光电转换的研究。由于有机光敏染料可以自行设计合成，与无机半导体材料相比，材料选择余地大，而且易达到价廉的目标。如金属卟啉和金属酞菁是大Π共轭有机分子与金属组成的配合物，具有较高的化学稳定性，能较强吸收可见光谱，作为有机光伏材料，它是目前广泛研究的对象。

单层有机光敏染料电极

用真空沉积、旋转涂布和电化学沉积等方法，将有机染料修饰在金属、导电玻璃或 半导体表面上，在电解液中研究其光电性能。在不同金属卟啉化合物中以Zn、Mg为中心金属的光电性能最佳。不同功能取代基如羟基、硝基、胺基、羧基、甲基等对光电性能有明显的影响，说明可以通过改变功能取代基的种类和位置来优化其光电性能。金属酞菁化合物的光电性能也与中心金属密切相关，三价、四价酞菁化合物（AlClPc，GaClPc，InClPc，SiCl2Pc，GeCl2，TiOPc，VOPc）比二价金属酞菁化合物（ZnPc，MgPc，CoPc，SnPc，PbPc，FePc，NiPc）的光电性能优越，这是因为三价、四价金属酞菁的光谱响应较宽，而且分子中的氯原子和氧原子有利于电子传递。酞菁铜的电化学聚合膜由于聚合物分子比单体具有更大的共轭体系，电子更易于移动和迁移，而且电聚膜与垫底接触电阻小，因此表现出比其单体更佳的光电性能。除有机光敏染料外，影响光电性能的还有电解液的酸碱性和氧化还原性质以及环境中的氧化性和还原性气氛等。