《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》：Breaking the efficiency barrier: Tandem DSSCs with benzofuran co-sensitizers achieve better performance gain over N719
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本研究设计合成了两种苯并呋喃基有机共敏化剂BF-1和BF-2，通过Knoevenagel缩合和Schiff碱形成反应，在高产率下获得。共敏化与基准染料N719组成串联DSSC，效率达11.93%，较单层N719提升51%，且稳定性良好 (>95% 保留率)。
阿斯玛·L·阿兰齐（Asmaa L. Alanzy）|法蒂玛·阿尔哈维蒂（Fatimah Alhawiti）|雷纳德·阿尔穆加塔维（Renad Almughathawi）|霍萨·F·阿尔沙里夫（Hossa F. Alshareef）|纳迪娅·M·阿尔沙马里（Nadiyah M. Alshammari）|马沙尔·M·阿尔哈比（Mashael M. Alharbi）|萨拉·A·阿尔卡尼（Sara A. Alqarni）|纳什瓦·M·埃尔-梅特瓦利（Nashwa M. El-Metwaly）
沙特阿拉伯布赖达（Buraidah）51452，卡西姆大学（Qassim University）理学院化学系
摘要
在本研究中，我们报道了两种新型基于苯并呋喃的有机共敏化剂（BF-1和BF-2）的设计、合成及其应用。这两种共敏化剂含有苯基-吡唑π-间隔基团，并具有不同的电子受体官能团：BF-1的电子受体为氰基苯甲酸，BF-2的电子受体为邻苯二甲酸。这些共敏化剂被用于高性能染料敏化太阳能电池（DSSCs）。目标化合物通过Knoevenagel缩合反应和Schiff碱形成法高产合成，并通过FT-IR、1H/13CNMR和元素分析进行了全面表征。其光物理、电化学和光伏性能通过UV–Vis光谱、DFT计算以及IPCE、J-V和EIS分析进行了系统评估。与基准染料N719共敏化后，BF-1和BF-2的光电转换效率（PCE）分别达到了8.85%（开路电压VOC = 0.726 V，短路电流JSC = 21.65 mA cm?2，填充因子FF = 56.30%）和9.98%（VOC = 0.731 V，JSC = 22.50 mA cm?2，FF = 60.67%），而单独使用N719时的PCE为7.90%。采用BF-2（底层电池）和N719（顶层电池）的串联DSSC配置时，PCE达到了11.93%（VOC = 0.755 V，JSC = 23.16 mA cm?2，FF = 68.22%），比单独使用N719的器件提高了51%。EIS测量结果显示，串联系统中的电荷转移电阻降低，电子寿命延长，这与更高的开路电压VOC和短路电流JSC相符。连续光照300小时后的稳定性测试表明，初始效率保留率超过95%。这些发现突显了含有定制受体官能团的苯并呋喃-苯基-吡唑框架在协同共敏化和高效串联DSSCs方面的潜力。
引言
染料敏化太阳能电池（DSSCs）由于其简单的制备工艺、机械柔韧性、成本效益以及在漫射光和弱光条件下的优异效率，已成为传统光伏技术的有吸引力的替代方案[1]、[2]、[3]。自1991年奥雷根（O'Regan）和格拉策尔（Gr?tzel）首次开发出DSSCs以来[4]，人们一直在努力提高其光电性能，尤其是对敏化剂的设计和优化。敏化剂起着核心作用，因为它决定了对太阳光的吸收程度，促进了电荷分离，并将电子注入半导体的导带（通常是TiO2）[5]、[6]。DSSC研究中的一个关键挑战是在提高敏化剂的摩尔消光系数的同时扩大其光吸收范围，以最大化光子捕获。传统上，基于Ru(II)的多吡啶复合物因出色的光稳定性、适宜的氧化还原性质以及在AM 1.5G光照下能够实现高效率（例如所谓的“黑染料”N719[7]、[8]）而占据主导地位。然而，贵金属基染料的高成本、有限的可用性和复杂的纯化要求促使人们寻找更可持续和经济可行的替代品[9]。无金属有机染料作为强有力的竞争者出现，它们具有合成多样性、环境兼容性以及通过合理分子设计可调的光物理和电化学性质等优点[10]、[11]。最近的研究探索了先进的供体-π-受体框架、π-桥优化和共敏化策略，以提高DSSCs的光谱捕获和电荷转移效率。值得注意的是，新设计的发色团和多供体结构在提高光电转换效率方面展示了良好的潜力[12]。这些努力突显了合理分子修饰和协同染料配对在实现更高效率方面的持续重要性，从而为本研究中使用的基于苯并呋喃的共敏化剂BF-1和BF-2的设计提供了依据。最近，串联染料敏化太阳能电池（tandem DSSCs）作为一种提高整体功率转换效率的策略引起了广泛关注。这种配置通常包含两个或多个具有互补吸收特性的敏化剂，它们可以并联或串联排列，以实现更广泛的光谱捕获和更高效的光子利用[13]。近年来，串联DSSC架构作为扩大光谱捕获范围和提高整体功率转换效率的有效策略受到了越来越多的关注。早期研究证明了串联和并联配置在提高光电流生成方面的可行性[13]。后续的发展进一步优化了互补染料组合和多层结构，以扩展吸收窗口并抑制复合损失[13]。这些进展强调了串联DSSC设计在克服单结器件局限性的重要性，并为本研究中采用的串联方法提供了强有力的支持。在本研究中，我们报道了两种新型基于苯并呋喃的有机共敏化剂BF-1和BF-2的设计、合成和表征，如图1所示。这两种共敏化剂均含有苯基-吡唑π-间隔基团，但电子受体官能团不同：BF-1的电子受体为氰基乙酸，BF-2的电子受体为邻苯二甲酸。这种结构差异旨在探讨受体类型对光捕获能力、分子内电荷转移以及染料与TiO2结合亲和力的影响。这两种染料均与基准Ru基染料N719进行了共敏化，并在串联DSSC配置中进行了进一步研究，以评估它们通过互补光谱吸收和改善界面电荷动态来提高光伏性能的潜力。
苯并呋喃敏化剂（BF-1-2）的一般合成方法
在150 mL圆底烧瓶中，将5-(苯并呋喃-2-基)-1-苯基-1H-吡唑-3-甲醛（0.288 g，0.001 mmol）（1）、4-(氰甲基)苯甲酸（0.161 g，0.001 mmol）（2）和4-氨基邻苯二甲酸（0.180 g，0.001 mmol）（3）与50 mL无水乙醇混合，并加入2 mL乙酸，回流8小时。随后通过加热制备固体敏化剂BF-1-2，过滤后干燥。
4-(2-(5-(苯并呋喃-2-基)-1-苯基-1H-吡唑-3-基)-1-氰乙烯基)苯甲酸（BF-1）
红色粉末（94%），熔点为226–228°C。红外光谱（KBr）显示：
νmax 2206 cm
?1（CN）和1690 cm
?1（C
O）
BF-1和BF-2的合成与表征
基于苯并呋喃的共敏化剂BF-1和BF-2是通过5-(苯并呋喃-2-基)-1-苯基-1H-吡唑-3-甲醛（1）与4-(氰甲基)苯甲酸（2）或4-氨基邻苯二甲酸（3）在回流乙醇中加入乙酸作为催化剂进行缩合反应制备的（方案1）。两种反应的产率都很高（BF-1为94%，BF-2为89%），生成了有色晶体固体，这与它们的扩展π-共轭结构和供体-π-受体（D-π-A）架构一致。
结论
本研究成功设计、合成了两种新型基于苯并呋喃的有机共敏化剂BF-1和BF-2，它们含有苯基-吡唑π-间隔基团以及不同的电子受体官能团：BF-1的电子受体为4-氰基苯甲酸，BF-2的电子受体为邻苯二甲酸。全面的光物理、电化学和器件级分析表明，这两种染料均表现出强的分子内电荷转移能力和与TiO2的良好能量匹配，从而实现了高效的电子注入。
< />阿斯玛·L·阿兰齐（Asmaa L. Alanzy）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，验证，方法学研究。法蒂玛·阿尔哈维蒂（Fatimah Alhawiti）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，软件使用，方法学研究，数据管理。雷纳德·阿尔穆加塔维（Renad Almughathawi）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，软件使用，方法学研究，形式分析，数据管理。霍萨·F·阿尔沙里夫（Hossa F. Alshareef）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，软件使用，实验研究，形式分析。纳迪娅·M·阿尔沙马里（Nadiyah M. Alshammari）：撰写 – 审稿与
作者同意在Creative Commons Attribution License下发表本文。本研究工作由沙特阿拉伯乌姆阿尔-库拉大学（Umm Al-Qura University）资助，资助编号为：(26UQU4350527GSSR10)。<[14], [15], [16], [17]
作者感谢沙特阿拉伯乌姆阿尔-库拉大学通过资助编号(26UQU4350527GSSR10)对本研究的支持。
