卟啉酞菁类化合物的设计合成及其在太阳能电池中的应用价值研究

毛雅君，冯亚莉，邵香敏

（郑州工业应用技术学院，河南郑州 450000）

卟啉酞菁类化合物的设计合成及其在太阳能电池中的应用价值研究

毛雅君，冯亚莉，邵香敏

（郑州工业应用技术学院，河南郑州 450000）

在太阳能电池方面，有机分子材料在光电转化效率、使用寿命等多方面都比传统的以硅太阳能电池为代表的无机太阳能电池优异。如何在现有基础上进一步提高其性能是目前太阳能电池领域的重要课题。对目前广受关注的卟啉酞菁类化合物在太阳能电池中的应用进行分析，并对其设计合成方法进行研究。

卟啉；酞菁；卟啉酞菁联合体；光伏电池

随着太阳能发电技术的不断发展，将其推广在各个生产生活领域成为可能。传统的太阳能电池以硅太阳能电池为代表，其光电转化效率、生产成本、使用寿命等因素影响其进一步的推广应用。要想实现太阳能电池的大范围推广，就必须最大限度的降低其生产成本，传统的无机太阳能电池生产成本高、工艺复杂、寿命短，无法在大范围内全面推广。随着有机分子材料技术的发展，可应用于太阳能电池的有机材料越来越多，且性能优异、成本低廉，有着巨大的研究应用前景。

1 卟啉和酞菁

卟啉和酞菁是目前在太阳能电池领域最为常见的两种有机小分子材料，其中卟啉在自然界中广泛存在，如叶绿素中，它具有良好的光稳定性，是良好的光敏化剂；而酞菁是通过化学合成而来，目前已可实现大规模生产，其具有良好的热、化学稳定性，是典型的有机半导体材料。通过验证如果将这两种材料单独应用在太阳能电池中时，无法达到最佳的光转换效率和载流子传输效率，而通过对两种材料分子结构的分析，发现两者具有很大的相似性，都可以与多种金属元素发生配位，同时还可以通过化学反应改性，从而达到想要的分子结构、性能。

2 卟啉酞菁联合体的设计

以最为常见的酞菁铜为例对卟啉酞菁联合体的设计进行分析。具体步骤如下∶

2.1 制备酞菁铜

酞菁分子的直径约1.4nm，酞菁环中心对角N-N间距约0.4nm，可以容纳铜、铁、钴等多种过渡金属及金属元素。通过采用无取代酞菁化合物的合成方法（苯酐尿素法）是生产酞菁铜的主要方法。经研究发现酞菁铜溶解性差，薄膜制备难度大、成本高，同时其光谱吸收范围不全面。所以有必要通过制备含有极性取代基的化合物来提高溶解性，并在酞菁分子中引入其他发色团来提高其光谱吸收范围。

2.2 引入极性取代基

在酞菁环上引入取代基可以有效改善酞菁铜的溶解性，常用的取代基有胺基、羧基、磧酸基、烧基等，也可以是氮杂环、硫杂环等一类环结构。取代基的本性、数量和位置对于酞菁化合物的溶解性有着较大的影响，引入合适的取代基可以使酞菁化合物溶解在水或有机溶剂中。在酞菁外环的四个位置上引入羧基来改善其溶解性，最终得到四羧基酞菁铜，该化合物既可作为给体通过旋涂工艺制备成电池器件；又可以作为装饰层来修饰光功能层的电池器件，提高电池器件的整体性能。

2.3 利用卟啉类化合物对其光吸收功能团进行修饰

为了进一步改善酞菁铜化合物在吸收光谱方面存在的缺陷，可通过对其光吸收功能团进行修饰。在这里选用卟啉类化合物，这类化合物在可见光范围内有较大的摩尔吸光系数，同时对于绿光波段有着很好的吸收能力。通过化学反应的方法我们得到卟啉酞菁二联体和卟啉酞菁五联体这两种联合体。在理论上这两种联合体不仅拓宽了光谱吸收范围，同时提高了整个分子的溶解性。具体的应用情况需要将其制备出光伏电池元件进行验证[1]。

3 在太阳能电池中的应用

在设计并制备出卟啉酞菁联合体后，要将其实际应用在太阳能电池中验证其性能。

3.1 太阳能电池工作原理

有机太阳能电池的工作原理是基于有机半导体材料的光伏效应来产生电压并形成电流，所以也可称为光伏电池。光伏电池工作的物理过程简单概括为∶①吸收太阳光、产生激子；②激子的扩散和解离；③电荷的分离与传输；④电荷的收集。

3.2 卟啉酞菁联合体在光伏电池中的应用

影响有机太阳能电池器件性能的因素主要包括有机材料的光吸收能力、激子的产生与复合、激子扩散长度和寿命、激子解离效率、载流子传输率和电荷收集效率等几个方面，在探讨卟啉酞菁联合体在光伏电池中的应用情况时，需要从这几个因素入手。

通过对两种卟啉酞菁联合体光伏性能进行测试，表明其紫外吸收是卟啉和酞菁单体吸收的综合，经过电化学测算，卟啉酞菁二联体的EHOMO=-5.36eV，ELUMO=-3.66eV，电化学带隙Eg=1.7eV；卟啉酞菁五联体的EHOMO=-5.42eV，ELUMO=-3.71eV，电化学带隙Eg=1.7eV。两者均满足光功能材料条件。

将这两种卟啉酞菁联合体作为光伏电池的给体，于PCBM形成异质结制备电池元件。其中五联体的性能最好，通过调整其与PCBM的配比可调整其器件性能；同时通过调整退火处理温度能够调整器件表面粗糙度和互穿网络结构，能够提高其开路电压和激子解离效率，通过大量实验证明当其于PCBM间的比值为4∶1，退火温度为140℃时，效果最佳，其短路电流密度JSC=4.68mA/cm2、开路电压VOC=0.63V、填充因子FF=57.5%、实际光转换效率η=1.58%。

设计得到的五联体除了有效提高其光伏效果外，还可与不同结构的氧化钛制备出有机无机复合光伏电池，当氧化钛呈管状结构时，其性能达到最佳，JSC=0.494mA/cm2、VOC=0.50V、FF=31.5%、η=0.08%。充分证明了这种卟啉酞菁化合物在太阳能电池领域的应用价值[2]。

4 结束语

通过分析，对卟啉和酞菁这两种材料有了简单的认识，并对卟啉酞菁化合物的设计合成方法及实际应用价值进行了分析。通过对两者优点的综合，最终得到的化合物在光电转化效率、使用寿命、生产成本及应用便捷方面都有着突出的优异性，对进一步推动太阳能电池领域的发展有着积极的意义。

[1] 黄春华.新型多聚卟啉酞菁化合物的设计合成及性能研究[D].北京∶北京科技大学，2015.

[2] 张天慧.卟啉酞菁类化合物的设计合成及其在太阳能电池中的应用[D].北京∶北京交通大学,2012.

Design and Synthesis of Porphyrin Phthalocyanine Compounds and its Application in Solar Cells

Mao Ya-jun，Feng Ya-li，Shao Xiang-min

In the aspect of solar cells，organic molecular materials are superior to traditional inorganic solar cells represented by silicon solar cells in photoelectric conversion efficiency and service life.How to further improve its performance on the existing basis is an important topic in the field of solar cells.In this paper，the application of porphyrin phthalocyanine compounds in solar cells is analyzed，and the design and synthesis methods are studied.

porphyrin；phthalocyanine；porphyrin phthalocyanine complex；photovoltaic cell

TM914.4

B

1003-6490（2017）02-0142-02

2017-01-08

毛雅君（1988—），女，河南郑州人，主要研究方向为卟啉酞菁化合物的合成与应用研究。