用於染料敏化太陽能電池的取代和

性能研究的新型有機光敏劑：氧吲哚橋聯受體

研發長 蘇昭瑾教授

使用光伏技術直接從太太陽光的高功率資源性讓利用太陽光收集能量成為全球能源生產的重要基本策略之一。使用環境友好且低價的材料來作為太陽光能量產生裝置已經成為人們關注的學術和工業研究主題。由O’Regan和Grätzel提出的稱為染料敏化太陽能電池（DSSC）因而引起了極大的關注。DSSC技術已顯示出巨大的潛力，可以作為高效，低生產成本和潔淨能源的輔助工具。為了在DSSC中實現出色的太陽能光電轉換效率，相當多的注意力集中在設計和合成各種光敏劑上。過去的幾十年中，光敏劑，如釕（II）聚吡啶基配合物和鋅基卟啉染料各以其出色的光電轉換效率而成為DSSC的有效光敏劑。但是金屬，特別是釕的價格，毒性和有限的可用性，激發了研究人員為DSSC尋求替代敏化染料的靈感。另一方面，不含金屬的有機光敏劑以其強大的可用性，結構調整的靈活性以及高摩爾消光係數而備受關注，這使其成為其他金屬型光敏劑的競爭替代品。一般無金屬的有機光敏劑配置有供體-π-橋-受體結構。根據文獻報導，過去，對供體的修飾和有機光敏劑的π橋部分已經進行了深入研究，但在受體組中只有少數進展。最常用的受體（錨定基團）是羧酸或氰基丙烯酸。但是據報導，氰基丙烯酸受體具有一些缺點，例如由於雙鍵的存在而降低了光穩定性，並且由於強電負性腈部分而具有主要的氧化還原特性。也有報導說，氰基丙烯酸的腈基會影響相鄰羧酸的酸度，這會對與TiO₂表面的結合產生負面影響。文獻上也已經進行取代強吸電子氰基並構建新的受體系統的多次嘗試，以實現高吸收率和良好的光穩定性。染料的受體部分對光譜響應和器件性能顯示出顯著影響。因此，有必要進一步探索各種受體並擴展“設計原理”以幫助無金屬光敏劑的發現。本校分子系表面實驗室結合中央大學化學系生物有機實驗室共同設計並合成了一系列新型的羥吲哚光敏劑（TI111-TI116，左圖），它們具有可觀的光電轉換效率。這些光敏劑在間隔基中具有出色的供電子三苯胺（TPA）供體和噻吩，並通過各種鹵素取代的羥吲哚受體進行區分。負電性氟（F）元素在有機發光二極管領域以及人工氨基酸合成中已廣泛被應用。光敏劑費米能級的改變可通過在其受體中使用F取代基來實現，並可通過降低暗電流來增加光敏劑的開路電壓。我們將F原子摻入母體化合物TI111中，形成TI112，以改變羥吲哚染料的光物理性質。並評估光敏劑供體部分中不同鹵素取代基的比較研究。我們更進一步擴大研究範圍，設計了TI114和TI115，其中分別摻入了溴（Br）和碘（I）取代基。我們也同時發現取代基相對於錨定基團的位置變化可提供不同的電池性能(TI114類似物TI116)。