基本信息
- 项目名称：
- 太阳能电池新型光敏化染料的合成研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 染料敏化太阳能电池是近20年基于纳米技术发展起来的一种新型太阳能电池，本文以苯肼、环戊酮、异氟尔酮、氰基乙酸乙酯为原料，采用七步合成法合成吲哚啉类光敏染料，该染料可用作太阳能电池的敏化剂。本文对合成工艺进行了详细研究，并对催化剂、溶剂、反应的配比、温度、时间进行了优化，在Fischer反应催化剂的选用、Ullmann反应催化剂及溶剂的选用上，均取得创新性的进展，探索出一条绿色合成工艺。
- 详细介绍：
- 1 概述 1.1 国内外的现状与趋势 1.2 染料敏化太阳能电池的工作原理 1.3研究的必要性及意义 1.4 研究目标 1.5 研究内容 1.6 研究思路 1.7 知识产权保护和应用前景展望 2 合成工艺研究 2.1 技术路线 2.2工艺研究 2.3总结 2.4项目创新点 3 社会效益分析 4 环境效益分析 5 参考文献
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 研究目的： 在太阳能电池中， 宽带隙半导体本身捕获太阳光的能力差，如将合适的染料吸附到半导体表面上，可将半导体的光谱响应拓宽到可见光区。课题以苯肼、环戊酮、异氟尔酮、氰基乙酸乙酯为原料，采用七步法合成吲哚啉类光敏染料， 研究的思路：设计出合成吲哚啉类光敏染料的工艺路线，对反应的工艺条件进行研究，并对催化剂、溶剂、反应的配比、温度、时间进行优化；探索出一条适合工业生产的绿色合成工艺。
科学性、先进性及独特之处
- （1）在Fischer反应中，用某A酸作催化剂（国内未见报道）通过闭环得到2，3-环戊基吲哚，收率最高达90%，且产品含量高达94%。 （2）在Ullmann缩合反应时，可以将产品的收率由文献上的16%提高到75%。该项目创新性的以氯化亚铜络合物为催化剂（国内未见报道）；以溶剂A：溶剂B=3:1(V/V)为溶剂，不仅能够大幅度降低Ullmann反应的温度，还能大大缩短反应时间。
应用价值和现实意义
- 该太阳能电池新型光敏染料研制成功后，将会带来国内太阳能产业的重大突破，而其中的一种中间体材料：N-(4-甲基苯基)六氢环戊基吲哚啉醛，不仅可以作为太阳能光敏材料的中间体，还可以作为光电传输材料的中间体，所以，该课题成功后，还能促进光电传输材料的极大发展。
学术论文摘要
- 随着煤、石油、天然气等矿物能源的日益枯竭，人们迫切需要寻找其它的可替代能源，近年来，太阳能由于其独有的特性引起了人们的高度重视。 染料敏化太阳能电池是最近20年基于纳米技术发展起来的一种新型低成本太阳能电池，1991年，瑞士Gratzel小组研制出用羧酸联吡啶钌(II) 染料敏化的TiO2纳米晶多孔膜作为光电阳极的化学太阳能光电池，称为Gratzel电池或染料敏化纳米晶体太阳能光电池。 在Gratzel型太阳能电池中， 宽带隙半导体本身捕获太阳光的能力差，如将合适的染料吸附到半导体表面上，借助于染料对可见光的强吸收，可将半导体的光谱响应拓宽到可见光区。 本文以苯肼、环戊酮、异氟尔酮、氰基乙酸乙酯为原料，采用七步合成法合成吲哚啉类光敏染料，该染料可用作准固态染料敏华太阳能电池的敏化剂。本文对合成工艺进行了详细研究，并对催化剂、溶剂、反应的配比、温度、时间进行了优化，运用简洁的工艺路线和清洁生产工艺，在生产工艺上进行创新，合成过程中无废气排放，只有少量废水排出，并且经过处理后，可以达标排放。利用高效液相色谱检测，寻找合适的工艺条件，提高产品的收率，控制产品质量，降低成本。
获奖情况
- 该项目已在山东省教育厅、济宁市科技局立项
鉴定结果
- 无
参考文献
- [1] 鲁厚芳, 闫康平,涂铭旌.光敏染料在Gratzel型太阳能电池上的应用及其研究进展.化学试剂.2005.27(1)，11～15；2 9 [2] o’Regan B．，Gratzel M．A low—cost，high —efficiency solar cell based on dye—sen sitized colloidal TiO2 films[J]．Nature,1991，353：737—740 [3] Bach．U．，Lupo．D．，Comte P．et a1. Solid—state dye一sensitized mesoporous Ti02 solar cells with high photo- to-electron conversion efficiencies[J ]．Nature，199 8，395 ：583—585 [4] 孙世国,彭孝军,高云玲,吕荣文,孙立成.铼联吡啶系列光敏染料的合成.高等学校化学学报. 2004(25): 82O ～ 822 [5]专利：朱为宏,刘博等 华东理工大学 CN 101165103A 2008.4 [6] 孙世国,徐勇前等.染料敏华纳米晶体光电池,当代化工 2004.33（1）47-50 [7] 闻韧 药物合成反应 化学工业出版社 2003 [8] 闻韧 药物合成反应 化学工业出版社 2003：279-282 [9] 沙兰兰 浙江大学 硕士论文 2008
同类课题研究水平概述
- 随着煤、石油、天然气等矿物能源的日益枯竭，人们迫切需要寻找其它的可替代能源，近年来，太阳能由于其独有的特性引起了人们的高度重视。 目前，太阳能电池的研究开发主要有四类：硅太阳能电池；化合物半导体电池、有机太阳能电池和染料敏化太阳能电池。硅系太阳能电池是目前应用广泛、技术比较成熟的太阳能电池，但其成本仍居高不下。在现在研究的半导体材料中，化合物半导体太阳能电池使用的半导体材料砷化镓GaAs、硒化铟铜CuInSe2、磷化铟InP和锑化镉CdTe具有与最佳禁带宽度Egap相近的值(约1.5eV)，但是，这些半导体材料所采用的原料太昂贵而不宜大面积制备，而其毒性也限制了它们的应用。作为一种新型电池，有机太阳能电池虽然具有可柔顺性和成本低廉的优势，但是其转换效率和稳定性过低。染料敏化太阳能电池是最近20年基于纳米技术发展起来的一种新型低成本太阳能电池，虽然其转换效率和稳定性仍然制约着其发展，但是，该电池被誉为最有应用前景的太阳能电池，特别是对于我们光伏产业发展比较晚的国家来说，对这种新型电池进行研究开发显得尤为重要。 1954年美国贝尔实验室成功地研制出单晶硅太阳能电池，其总能量转换效率达到了25％，并进入实用化，但因价格昂贵，而难以普及。1991年，瑞士Gratzel小组研制出用羧酸联吡啶钌(II) 染料敏化的TiO2纳米晶多孔膜作为光电阳极的化学太阳能光电池，称为Gratze电池或染料敏化纳米晶体太阳能光电池。1998年，Gratzel等人进一步研制出全固态纳米晶体光电池，引起了全世界的关注。 在Gratzel型太阳能电池中， 宽带隙半导体本身捕获太阳光的能力差，如将合适的染料吸附到半导体表面上，借助于染料对可见光的强吸收，可将半导体的光谱响应拓宽到可见光区。作为光敏剂的染料对太阳能电池的性能起着至关重要的作用。大连理工大学精细化工国家重点实验室研制出了铼联吡啶系列光敏染料。华东理工大学以2，3-环戊基吲哚、异佛尔酮及氰基乙酸乙酯为原料，采用六步合成法生产吲哚啉类光敏材料。 由于市场上难以买到2，3-环戊基吲哚，本文用价廉易得的苯肼、环戊酮及异氟尔酮、氰基乙酸乙酯为原料，采用七步合成法生产吲哚啉类光敏材料，对合成工艺进行了详细的研究，在Fischer反应催化剂的选用、Ullmann反应催化剂及溶剂的选用上，均取得创新性的进展。
