含溴萘基团对称与非对称酞菁锌的电化学特性及其在染料敏化太阳能电池中的应用研究

本研究针对染料敏化太阳能电池（DSSC）中酞菁锌（ZnPc）光吸收效率与电荷传输性能的优化问题，通过设计合成新型对称（ZnPc）与非对称（A3B型）酞菁锌复合物，结合UV-Vis、FTIR、1H-NMR等技术表征，实现了非对称结构（AsZnPc）器件5.28%的光电转换效率（PCE），较对称结构（3.27%）显著提升，并通过电化学阻抗谱（EIS）证实其电子寿命延长至2.08 ms，为高效稳定DSSC开发提供新策略。

　　

研究背景与意义
染料敏化太阳能电池（DSSC）作为第三代光伏技术，其核心问题在于如何提升光敏染料的光捕获能力与电荷分离效率。酞菁锌（ZnPc）因其强近红外吸收和可调控的电子结构成为研究热点，但传统对称结构ZnPc存在聚集导致的电荷复合严重、PCE（光电转换效率）偏低（通常<4%）等瓶颈。此前研究显示，通过引入不同取代基（如硫醚）可使PCE波动于1.9%-5.7%，但系统性探索非对称结构对性能的影响仍不足。

研究设计与方法
Yaren Erda? Maden等研究人员通过统计缩合法制备了两种新型ZnPc衍生物：对称型（ZnPc，4）含四个溴萘氧基团，非对称型（AsZnPc，6）含三个溴萘氧基与一个羧乙基苯氧基。采用UV-Vis光谱分析Q带吸收，结合循环伏安法（CV）测定氧化还原电位，MALDI-TOF MS验证分子结构。通过J-V曲线和EIS评估DSSC器件性能，并利用LSV测试50次循环下的稳定性。

研究结果

1. 合成与表征：非对称AsZnPc在DMF中呈现718 nm的Q带红移，表明扩展的π共轭体系增强光捕获；CV显示其HOMO能级（-5.21 eV）更匹配电解质能级，利于电荷注入。
2. 光伏性能：AsZnPc器件PCE达5.28%，显著高于对称ZnPc（3.27%），归因于羧基锚定基团减少聚集并促进电子转移。EIS显示AsZnPc电荷传输电阻降低，电子寿命延长至2.08 ms。
3. 稳定性：LSV测试表明，非对称结构在100 mW/cm²光照下经50次循环后PCE保持率>90%，优于对称型。

结论与展望
该研究通过精准分子设计证实非对称A₃B型ZnPc可协同优化光吸收与电荷传输，其5.28%的PCE为当前ZnPc基DSSC的较高水平。电子寿命延长与稳定性提升表明非对称结构能有效抑制电荷复合，为开发高效稳定有机光伏材料提供新思路。未来可通过调控更多电子给体-受体组合进一步探索性能极限。论文发表于《Dyes and Pigments》，展现了分子工程在能源材料中的关键作用。