卟啉酞菁類化合物的設計合成及其在太陽能電池中的應用價值研究

毛雅君，馮亞莉，邵香敏

（鄭州工業應用技術學院，河南鄭州 450000）

卟啉酞菁類化合物的設計合成及其在太陽能電池中的應用價值研究

毛雅君，馮亞莉，邵香敏

（鄭州工業應用技術學院，河南鄭州 450000）

在太陽能電池方面，有機分子材料在光電轉化效率、使用壽命等多方面都比傳統的以硅太陽能電池為代表的無機太陽能電池優異。如何在現有基礎上進一步提高其性能是目前太陽能電池領域的重要課題。對目前廣受關注的卟啉酞菁類化合物在太陽能電池中的應用進行分析，并對其設計合成方法進行研究。

卟啉；酞菁；卟啉酞菁聯合體；光伏電池

隨著太陽能發電技術的不斷發展，將其推廣在各個生產生活領域成為可能。傳統的太陽能電池以硅太陽能電池為代表，其光電轉化效率、生產成本、使用壽命等因素影響其進一步的推廣應用。要想實現太陽能電池的大范圍推廣，就必須最大限度的降低其生產成本，傳統的無機太陽能電池生產成本高、工藝復雜、壽命短，無法在大范圍內全面推廣。隨著有機分子材料技術的發展，可應用于太陽能電池的有機材料越來越多，且性能優異、成本低廉，有著巨大的研究應用前景。

1 卟啉和酞菁

卟啉和酞菁是目前在太陽能電池領域最為常見的兩種有機小分子材料，其中卟啉在自然界中廣泛存在，如葉綠素中，它具有良好的光穩定性，是良好的光敏化劑；而酞菁是通過化學合成而來，目前已可實現大規模生產，其具有良好的熱、化學穩定性，是典型的有機半導體材料。通過驗證如果將這兩種材料單獨應用在太陽能電池中時，無法達到最佳的光轉換效率和載流子傳輸效率，而通過對兩種材料分子結構的分析，發現兩者具有很大的相似性，都可以與多種金屬元素發生配位，同時還可以通過化學反應改性，從而達到想要的分子結構、性能。

2 卟啉酞菁聯合體的設計

以最為常見的酞菁銅為例對卟啉酞菁聯合體的設計進行分析。具體步驟如下∶

2.1 制備酞菁銅

酞菁分子的直徑約1.4nm，酞菁環中心對角N-N間距約0.4nm，可以容納銅、鐵、鈷等多種過渡金屬及金屬元素。通過采用無取代酞菁化合物的合成方法（苯酐尿素法）是生產酞菁銅的主要方法。經研究發現酞菁銅溶解性差，薄膜制備難度大、成本高，同時其光譜吸收范圍不全面。所以有必要通過制備含有極性取代基的化合物來提高溶解性，并在酞菁分子中引入其他發色團來提高其光譜吸收范圍。

2.2 引入極性取代基

在酞菁環上引入取代基可以有效改善酞菁銅的溶解性，常用的取代基有胺基、羧基、磧酸基、燒基等，也可以是氮雜環、硫雜環等一類環結構。取代基的本性、數量和位置對于酞菁化合物的溶解性有著較大的影響，引入合適的取代基可以使酞菁化合物溶解在水或有機溶劑中。在酞菁外環的四個位置上引入羧基來改善其溶解性，最終得到四羧基酞菁銅，該化合物既可作為給體通過旋涂工藝制備成電池器件；又可以作為裝飾層來修飾光功能層的電池器件，提高電池器件的整體性能。

2.3 利用卟啉類化合物對其光吸收功能團進行修飾

為了進一步改善酞菁銅化合物在吸收光譜方面存在的缺陷，可通過對其光吸收功能團進行修飾。在這里選用卟啉類化合物，這類化合物在可見光范圍內有較大的摩爾吸光系數，同時對于綠光波段有著很好的吸收能力。通過化學反應的方法我們得到卟啉酞菁二聯體和卟啉酞菁五聯體這兩種聯合體。在理論上這兩種聯合體不僅拓寬了光譜吸收范圍，同時提高了整個分子的溶解性。具體的應用情況需要將其制備出光伏電池元件進行驗證[1]。

3 在太陽能電池中的應用

在設計并制備出卟啉酞菁聯合體后，要將其實際應用在太陽能電池中驗證其性能。

3.1 太陽能電池工作原理

有機太陽能電池的工作原理是基于有機半導體材料的光伏效應來產生電壓并形成電流，所以也可稱為光伏電池。光伏電池工作的物理過程簡單概括為∶①吸收太陽光、產生激子；②激子的擴散和解離；③電荷的分離與傳輸；④電荷的收集。

3.2 卟啉酞菁聯合體在光伏電池中的應用

影響有機太陽能電池器件性能的因素主要包括有機材料的光吸收能力、激子的產生與復合、激子擴散長度和壽命、激子解離效率、載流子傳輸率和電荷收集效率等幾個方面，在探討卟啉酞菁聯合體在光伏電池中的應用情況時，需要從這幾個因素入手。

通過對兩種卟啉酞菁聯合體光伏性能進行測試，表明其紫外吸收是卟啉和酞菁單體吸收的綜合，經過電化學測算，卟啉酞菁二聯體的EHOMO=-5.36eV，ELUMO=-3.66eV，電化學帶隙Eg=1.7eV；卟啉酞菁五聯體的EHOMO=-5.42eV，ELUMO=-3.71eV，電化學帶隙Eg=1.7eV。兩者均滿足光功能材料條件。

將這兩種卟啉酞菁聯合體作為光伏電池的給體，于PCBM形成異質結制備電池元件。其中五聯體的性能最好，通過調整其與PCBM的配比可調整其器件性能；同時通過調整退火處理溫度能夠調整器件表面粗糙度和互穿網絡結構，能夠提高其開路電壓和激子解離效率，通過大量實驗證明當其于PCBM間的比值為4∶1，退火溫度為140℃時，效果最佳，其短路電流密度JSC=4.68mA/cm2、開路電壓VOC=0.63V、填充因子FF=57.5%、實際光轉換效率η=1.58%。

設計得到的五聯體除了有效提高其光伏效果外，還可與不同結構的氧化鈦制備出有機無機復合光伏電池，當氧化鈦呈管狀結構時，其性能達到最佳，JSC=0.494mA/cm2、VOC=0.50V、FF=31.5%、η=0.08%。充分證明了這種卟啉酞菁化合物在太陽能電池領域的應用價值[2]。

4 結束語

通過分析，對卟啉和酞菁這兩種材料有了簡單的認識，并對卟啉酞菁化合物的設計合成方法及實際應用價值進行了分析。通過對兩者優點的綜合，最終得到的化合物在光電轉化效率、使用壽命、生產成本及應用便捷方面都有著突出的優異性，對進一步推動太陽能電池領域的發展有著積極的意義。

[1] 黃春華.新型多聚卟啉酞菁化合物的設計合成及性能研究[D].北京∶北京科技大學，2015.

[2] 張天慧.卟啉酞菁類化合物的設計合成及其在太陽能電池中的應用[D].北京∶北京交通大學,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，河南鄭州人，主要研究方向為卟啉酞菁化合物的合成與應用研究。