杂环咔唑染料的合成、光物理特性研究及其在染料敏化太阳能电池（DSSCs）中的应用：实验与理论研究

《Inorganic Chemistry Communications》：Synthesis, photophysical characterization and DSSCs application of heterocyclic carbazole dyes: Experimental and theoretical study

该研究设计并合成了两种新型杂环羰基衍生物CBFA和CBTA，通过调整π桥结构（呋喃/噻吩）优化光电性能，在DSSC中展现出5.76%-6.32%的PCE和11.98-12.94 mA/cm2的Jsc，证实其作为高效敏化剂的应用潜力。

　　

M. Elanthendral|P. Vennila|G. Venkatesh|A. Manikandan|Lalitha Gnanasekaran|M. Santhamoorthy

印度纳马卡卡尔（Namakkal）637 401，蒂鲁瓦卢瓦尔政府艺术学院（Thiruvalluvar Government Arts College）化学系

引言

当前，世界正经历一场前所未有的能源危机。根据《世界能源状况报告》中的政策情景，化石燃料的消耗将是全球能源需求持续增长的主要驱动力[[1], [2], [3], [4]]。然而，到2050年实现碳中和的目标为达到这一目标提供了关键路径，旨在将全球表面温度的升高控制在1.5℃以内，同时支持以能源为中心的全球目标[5]。自2015年联合国推出2030年绿色可持续发展计划以来，人们在实现这些可持续发展目标方面取得了显著进展[2]。作为这一全球变革的一部分，从化石燃料向可再生能源的转型已经大大加速。风能、生物质能、水力能、太阳能和地热能等多种能源都可以用来生产可再生能源。其中，以阳光为动力的太阳能因其可持续性、丰富性和低环境影响而备受关注[[2], [3], [4], [5]]。 光伏（PV）技术，尤其是太阳能电池的主要用途之一，是将阳光转化为电能[7,8]。 dye-sensitized solar cells (DSSCs) 是目前市场上最经济且环保的太阳能电池类型。在DSSCs中，有机染料通过激发电子来吸收阳光，并将光子能量转化为电能[[7], [8], [9], [10]]。最早的DSSC设备由Gr?tzel于1991年开发，使用的是基于金属的敏化剂，通常是钌复合物。p型DSSCs的进步以及金属有机和金属-free染料的发展极大地扩展了太阳能应用的多样性和潜力。尽管钌金属复合物具有较高的能量转换效率，但它们也存在缺点，如成本较高、供应不足以及集成过程复杂[[11], [12], [13], [14], [15]]。相比之下，金属-free有机染料价格低廉且对环境无害。由于其简单的分子结构，这些染料具有可调的光学和电化学性质[12,16]。具有供体-π-受体结构的分子已被证明具有良好的光伏性能，其效率通常可达到10%左右[[17], [18], [19], [20]]。基于咔唑的金属-free染料因其优异的电子性质而特别有趣，这些性质包括高空穴迁移率和光电导性。这种芳香结构和电子供体氮原子使得这些染料成为共轭电子光电材料中的理想供体单元[[21], [22], [23], [24], [25]]。咔唑环在3位和6位的取代可以显著影响染料的能量水平及其空穴注入特性。通过连接咔唑单元或取代芳香环（如9,9′-二咔唑）等分子结构改进，可以保持和提升分子填充性和光吸收性能。虽然咔唑衍生物具有广泛的应用性，但关于9,9′-二咔唑杂化物在DSSCs中的研究还相对较少。不过，由于其较大的极化率和结构灵活性，含咔唑的材料被广泛应用于非线性光学器件、双光子吸收剂和其他光子学领域。为了减少染料聚集并提高DSSC中的电子传输效率，人们尝试将供体结构扩展到初级供体之外，形成D-π-A结构或更复杂的供体-π-桥接-受体系统[26,27]。氰基丙烯酸是一种高效的电子受体，因为它能与TiO₂形成强酯键，增加染料负载量，并有效地将电子注入半导体的导带。基于咔唑的有机共敏化剂已经通过使用2-溴-9-(环丙基甲基)-7-甲氧基-9H-咔唑作为活性电子供体单元、(5-甲酰呋喃-2-基)硼酸和(5-甲酰噻吩-2-基)硼酸作为π间隔单元，以及氰基丙烯酸作为电子抽取锚定基团进行设计和合成。这些新型敏化剂有望提高染料敏化太阳能电池的光捕获能力和整体效率。

金属-free有机染料的合成方法

将0.45克（2.28毫摩尔）2-甲氧基-9H-咔唑（1）溶解在DMF中，然后加入2毫升10%的K₂CO₃溶液以脱质子化氮原子。缓慢加入0.307克（2.27毫摩尔）环丙烷并剧烈搅拌。反应完成后，冷却混合物以获得纯的9-(环丙基甲基)-2-甲氧基-9H-咔唑（2）固体。该过程包括燃烧、纯化和使用有机溶剂提取产物。最终得到0.426克（1.7毫摩尔）的产物。

化学性质

本研究设计并合成了两种新型有机染料CBFA和CBTA。这两种染料均采用D–π–A结构，包含基于咔唑的电子供体、苯并[c][1,2,5]噻二唑（BTD）π桥以及氰基乙酸受体。π桥连接着这两个染料，其中CBFA含有呋喃单元，而CBTA含有噻吩单元。这些结构改进使得染料的光物理性质得以精细调节。

结论

本研究设计并合成了两种新型杂环咔唑衍生物CBFA和CBTA，并通过多种光谱方法确认了它们的结构。CBFA和CBTA的J_SC值分别为11.98 mA/cm²和12.94 mA/cm²，相应的光电转换效率（PCE）分别为5.76%和6.32%。CBFA和CBTA的带隙值分别为1.61 eV和1.59 eV，这也证明了它们适用于DSSC应用。 CRediT作者贡献声明 M. Elanthendral：撰写、审稿与编辑。 P. Vennila：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、指导。 G. Venkatesh：撰写、审稿与编辑。 A. Manikandan：撰写、审稿与编辑。 Lalitha Gnanasekaran：撰写、审稿与编辑。 M. Santhamoorthy：撰写、审稿与编辑。

本研究未获得任何资助。

作者声明：

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。 M. Elanthendral 印度纳马卡卡尔（Namakkal）637 401，蒂鲁瓦卢瓦尔政府艺术学院（Thiruvalluvar Government Arts College）化学系